Stråling fra rummet – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

22. oktober 2017

Stråling fra rummet

Hej Spørg om fysik
Vi har et spørgsmål omkring baggrundsstråling fra kosmos. Vores fysiklærer her i 9. klasse har sagt, at ca. 50 % af baggrundsstrålingen her på Jorden kommer fra kosmos.

  • Hvilke typer stråling udsender egentlig?
  • Hvor stor procentdel af hver type stråling?
  • Hvorfor lige netop disse typer stråling?

Med venlig hilsen
J A og I K

Stråling fra rummet

Solen. Den glødende gaskugle, stjerne,  vi kalder Solen, har en overflade temperatur på 5780 K. Vi ved at varme ting udsender infrarød stråling f.eks. brændeovne og havegriller, som bevæger sig retlinet. Det kan let konstateres ved at tage en avis og skygge for f.eks. halvdelen af ansigtet, når man er tæt på en sådan varmekilde. Holder man hånden tæt ved et varmt strygejern, mærker man tilsvarende varmestråling.

Det elektromagnetiske spektrum med det lille område vi kan se forstørret

Varmestrålingen er altså ikke forbundet til det synlige lys, det er lys i det infrarøde område.

En glødende gerne sort genstand udsender stråling i mange bølgelængder, og denne stråling kan beskrives i en formel eller som en kurve der hedder en Planck-kurve efter den fysiker, som beskrev det. Max Karl Ernst Ludwig Planck (D, 1858 – 1947) udviklede

Solspekteret med Planckkurven indtegnet

teorien om Planck-stråling i 1899. Han fik nobelprisen for den i  1918. Det dannede udgangspunkt for den senere  kvantemekanik (Niels Bohr), han fik nobelprisen for det i 1922. Den elektromagnetiske stråling fra solen er en planckkurve. Det vi får her på jorden skal imidlertid igennem lufthavet og luften, vanddamp, CO2, Ozon og andre ting stopper eller spreder specifikke dele af den indkomne stråling så kurven får altså en række takker i forhold til den ideale kurve. Et specielt eksempel er Ozon. Ozonlaget som ligger omkring især 15-25 km højde. Det dannes ved ultraviolet stråling rammer iltmolekyler, O2, som så omdannes til Ozon O3. Derved filtreres en del af UV-strålingen

Den aktive sol med udbrud som sender solvinden bl.a. imod os

væk og Ozonen absorberer yderligere stråling. Det er væsentligt fordi UVD og UVC strålingen stort set fjernes og UVB og UVA strålingen mindskes væsentlig og især de kortbølgede strålinger (C og D) er yderst skadelige for huden (kan give kromosomskader). Af strålingen er 52-55 % er i infrarødt (varmestråling) med bølgelængder større end 700 nm, 42-43 % i det synlige område (400 – 700 nm) og resten i ultraviolet.

Energien der udstråles, og som når jorden (dog 8,3 min. forsinket), er på en kvadratmeter vinkelret på solstrålingen ca. 1361 w/m2 ude i rummet udenfor atmosfæren.  Det er vores andel af de ca. 3,85*1026 W der udsendes i alt fra solen vi modtager ca. 1,737*1017 w på jorden totalt, idet en del dog reflekteres ud i rummet igen af skyer, vandoverflader mm. Intensiteten af strålingen svinger lidt bl.a. fordi jordens afstand ikke er konstant svingningerne er ca. 3,5 %.  Ca. 75 % af denne stråling når jordoverfladen. Skyer, støv, vanddamp i luften mm. kan bringe strålingsniveauet ved jordoverfladen helt ned i nærheden af 500 w/m2, ellers op til 1000 w/m2..

Den anden del af strålingen fra solen er partikelstrålingen. Det er ioniserede partikler, som udsendes nok med solens magnetfelt som accelerator. Størsteparten af de udslyngede partikler er protoner. Under solstorme, hvor der udslynges særligt mange partikler, kan der komme en del partikler igennem jordens spærresystemer især ved polerne. Normalt afbøjes ladede partikler fra rummet af jordens magnetfelt, ind  i det område, man kalder van - Allen bælterne, hvor partiklerne kommer til at cirkulere fra pol til pol (se også http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/astrofysik/vanallen/ ). Desuden stoppes partikler også af lufthavet omkring jorden.  Energien af partiklerne kan i få tilfælde være over 100 MeV (MeV, megaelektronvolt, den energi en elektron får, ved at blive accelereret igennem et spændingsfald på 1 million volt), og der er partikler, som når ned på jorden. Ved solstorme kan der blive udbredt nedbrud i

Aurora, nordlys tegn på stråling fra solen

radioforbindelser og i uheldige tilfælde kan transformatorstationer blive ødelagt (Der skabes en kortvarig voldsom DC komponent i lange højspændingsledninger, som magnetisere transformatorkernerne i højspændingssystemet, så transformationen derefter sker i et område i jernet, som er udenfor hysteresesløjfen, hvorefter der sker et varmesammenbrud. Det er bl.a. sket i Canada. Til sådanne lange højspændingsledninger er fornyelsestiden for transformatorerne i størrelsesorden år, det er ikke hyldevare). Levende organismer rammes naturligvis også af sådanne partikler (relativt få), som har virkning, som partikelstråling fra radioaktive stoffer. Sådan er livet på jorden altid blevet bestrålet, så vi kender ikke tilværelsen uden denne bestråling. Det drejer sig om 10-20 partikler pr. sek. i værste tilfælde. Sammensætningen er ca. 96 % protoner, 3,5 % alfapartikler, 0,1 % tunge ioner, de sidste må ikke overses, der er energier op til GeV området pr. nucleon, rejsetid fra solen ofte mindre end en time. Soludbrud kan også skade elektronik i rummet, man søger at hærdne elektronikken, men der kan ske skader.

Kosmisk stråling: Dette er normalt den væsentlige del af strålingen udefra.

Mængden af kosmiske partikler som funktion af deres energi. Forventet ophav er: : Gul: kosmisk stråling fra Solen; Cyan: GCR, galaktisk kosmisk stråling – fra mælkevejen; Magenta: ECR (inkl. UHECR og EECR), intergalaktisk kosmisk stråling – fra andre galakser.

Gammastråling med energier op til 1014 eV, der er målt partikler op til 3*1020 eV (40 millioner gange energien, der kan fås fra den store Hadron Collider på CERN, som er den accelerator på jorden, som kan skabe de højeste energier). Atmosfæren stopper op til 99% af partikler, heraf 90 % protoner 9 % er alfapartikler (Heliumkerner), 1 % tungere partikler. Toppen i energifordelingen ligger ved 0,3 GeV eller 4,8*10-11 J. Der kommer også gammastråling fra rummet i den kosmiske stråling. Den øvre grænse for energien af gammastråling antages at være op til 1 TeV (3,4*10-13 J). Kilderne for disse kosmiske strålinger menes at være supernovaeksplosioner (en supernova antages at udsende ca. 1043 J som stråling), sammenstød imellem neutronstjerner eller sorte huller og en række andre mulige begivenheder med stor energiudveksling.

Fordelingen af partikler, som når jordoverfladen, er omtrent 10 000 partikler pr. kvadratmeter i området under 1 GeV, ca. 1 i området omkring 1 TeV og få gange om året op til 1020 eV.

person bestrålingen efter kilder

Strålingen i atmosfæren er ansvarlig for vores 14C metode til aldersbestemmelse, idet strålingen danner denne isotop i atmosfæren ud fra CO2. Dette sker med en nogenlunde konstant hastighed, der er ca. 70 tons af isotopen i atmosfæren i gennemsnit, og den indbygges så i levende organismer. Halveringstiden er 5730 år og ved at bestemme indholdet i f.eks. trægenstande, kan man så finde alderen (man har korrektioner for små kendte variationer i strålingen).  Den stråledosis, vi får her i Danmark, er for ca. 7 % vedkommende kosmisk stråling. Partikler med over 0,1 GeV der kommer fra rummet, er ca. 1000 pr. kvadratmeter pr. sek. Vi ser stråling i området 0,1 GeV til 1011 GeV. Den stråling vi modtager fra kosmisk stråling er i gennemsnit ved havoverfladen i størrelsesorden 3*10-4 siverts pr. år (i Danmark ca. 4*10-3 Sv pr. år), til sammenligning, strålingen fra jordens radioaktive stoffer på steder uden specielt indhold af radioaktive stoffer, er i samme størrelsesorden. Strålingen fra rummet bliver væsentlig større i højtflyvende fly omkring 300 timers  flyvning i 10 km højde giver det danske gennemsnit(50- 400 gange højere i fra  kommende fra rummet end den tilsvarende stråling end ved overfladen) . Medicinsk brug af stråling bevirker ofte større doser, end de her årligt

Van allen bælterne

anførte, for de bestrålede. Den samlede virkning af stråling fra rummet er omkring 7 % af den samlede stråling ved jordoverfladen fraregnet medicinsk behandling. På grund af de ret store svingninger i solens strålingsforhold, som svinger med en 11 årig periode, er dette tal noget varierende. Der er særlige strålingsregler for flybesætninger.

Se også:

Med venlig hilsen
Malte Olsen