NASA-Wissenschaftler, die die Strahlung in großer Höhe untersuchen, veröffentlichten kürzlich neue Ergebnisse über die Auswirkungen kosmischer Strahlung in unserer Atmosphäre. Ihre Forschungsarbeit wird helfen, die Echtzeitüberwachung der Strahlung für die Besatzungen und Passagiere in der Luftfahrt zu verbessern, die sich in potenziell höheren Strahlungsumgebungen befinden.
Man stelle sich vor, man sitzt in einem Flugzeug. In einer Höhe von 36.000 Fuß (ca. 11.000 Meter) durch die Stratosphäre fliegend, befindet man sich weit oberhalb der Wolken und Vögel und in der Tat auch oberhalb des Großteils der Atmosphäre. Aber trotz ihres Aussehens ist diese Region alles andere als leer.
Direkt über einem treffen hochenergetische Teilchen, sogenannte kosmische Strahlen, aus dem Weltraum ein. Diese schnellen Teilchen prallen auf Moleküle in der Atmosphäre und erzeugen eine Kettenreaktion von Teilchenzerfallsprozessen. Während wir auf dem Boden weitgehend vor dieser Strahlung geschützt sind, können diese Teilchen in der dünnen Stratosphäre Menschen und Elektronik schädigen.
Im September 2015 startete in der Nähe von Fort Sumner (New Mexico) das Radiation Dosimetry Experiment (RaD-X) der NASA. Es nutzt einen riesigen heliumgefüllten Ballon, um Instrumente in die Stratosphäre zu bringen und die kosmische Strahlung von der Sonne und aus dem interstellaren Weltraum zu messen. Die Ergebnisse, präsentiert in einer Sonderausgabe des Space Weather Journal, demonstrieren einige der ersten Messungen ihrer Art in Höhen zwischen 26.000 und 120.000 Fuß (ca. 8.000-36.500 Meter) über der Erdoberfläche.
„Die Messungen wurden erstmals in sieben verschiedenen Höhen vorgenommen, wo die Physik der Dosimetrie sehr unterschiedlich ist“, sagte Chris Mertens, leitender Wissenschaftler der RaD-X-Mission am Langley Research Center der NASA in Hampton (Virginia). „Da wir die Messungen in diesen sieben Höhen haben, können wir wirklich testen, wie gut unsere Modelle die Physik der kosmischen Strahlung beschreiben.“
Kosmische Strahlung wird durch hochenergetische Teilchen erzeugt, die kontinuierlich aus dem Weltraum herabregnen. Die meisten dieser energiereichen Teilchen stammen von außerhalb des Sonnensystems, auch wenn die Sonne während Sonnenstürmen eine bedeutende Quelle ist.
Die irdische Magnetosphäre, die wie ein riesiger Magnetschild wirkt, blockiert den Großteil der Strahlung, bevor sie den Planeten erreicht. Teilchen mit genügend hoher Energie können jedoch sowohl die Magnetosphäre als auch die Atmosphäre durchdringen, wo sie mit Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen kollidieren. Diese Kollisionen lassen die hochenergetischen Teilchen in verschiedene Teilchen zerfallen. Sie durchlaufen dabei Prozesse, die als nukleonische und elektromagnetische Kaskaden bezeichnet werden.
Wenn man die Teilchen aus dem Flugzeugfenster heraus sehen könnte, würde man bemerken, wie sie sich in einer Region oberhalb des Flugzeugs sammeln. Die Dichte der Atmosphäre lässt die Zerfallsprozesse hauptsächlich in einer Höhe von 60.000 Fuß (ca. 18.000 Meter) ablaufen, was eine konzentrierte Schicht aus Strahlungspartikeln erschafft, das sogenannte Pfotzer-Maximum.
Strahlung in der Atmosphäre kann auf zwei Arten gemessen werden: wie viel vorhanden ist oder wie stark sie biologisches Gewebe schädigen kann. Letzteres ist als die Äquivalentdosis bekannt und repräsentiert den Standard bei der Bezifferung von Gesundheitsrisiken. Diese Menge ist bekanntermaßen schwer zu messen, weil sie nicht nur Kenntnisse über die Anzahl der vorhandenen Teilchen verlangt, sondern auch über deren Typ und Energie.
Diese Teilchen, sowohl die hochenergetischen Primärteilchen als auch die sekundären Zerfallspartikel, können schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit von Menschen haben. Kosmische Strahlung zerstört DNA und produziert freie Radikale, die Zellfunktionen verändern können.
Die RaD-X-Mission machte Messungen in größer Höhe, von denen zuvor nur wenige existieren, um besser zu verstehen, wie sich die kosmische Strahlung durch die Erdatmosphäre bewegt. Die Messung der Äquivalentdosis in verschiedenen Höhen ergab einen stetigen Anstieg der Rate mit zunehmender Höhe in der Atmosphäre. Das ist ein Ergebnis, das der Partikelkonzentration am Pfotzer-Maximum scheinbar widerspricht. Das kann durch das komplexe Wechselspiel aus primären und sekundären Teilchen in diesen Höhen erklärt werden, weil die höher gelegenen Primärteilchen einen viel zerstörerischen Effekt auf das Gewebe haben als die Sekundärteilchen.
Wegen der Zeit, die sie in der oberen Erdatmosphäre verbringen, sind Flugzeugbesatzungen verglichen mit Menschen am Boden fast dem doppelten Strahlungslevel ausgesetzt. Die Belastung durch kosmische Strahlung ist ebenfalls eine Sorge für die Besatzung an Bord der Internationalen Raumstation ISS und für zukünftige Astronauten, die zum Mars reisen. Der Mars besitzt eine Strahlungsumgebung, die der oberen Erdatmosphäre gleicht. Zu lernen, wie man Menschen vor der Strahlungsbelastung schützen kann, ist ein Schlüsselschritt bei der zukünftigen bemannten Erforschung des Weltraums.
Die Ergebnisse der RaD-X-Mission werden verwendet, um Weltraumwettermodelle wie das Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation for Aviation Safety (NAIRAS) Modell zu verbessern, die Strahlungsereignisse voraussagen. Diese Voraussagen werden von kommerziellen Piloten genutzt, um zu erkennen, ob und wo die Strahlungsintensität unsicher ist. Das erlaubt die Umleitung von Flugzeugen in der betroffenen Region, falls erforderlich.
Obwohl Ballonflüge wie RaD-X entscheidend für die Modellierung der Strahlungsumgebung sind, können sie keine Echtzeitüberwachung der Strahlung durchführen, die das NAIRAS-Modell für die Vorhersage braucht. Das Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety Program der NASA arbeitet in Verbindung mit RaD-X, um Instrumente zu entwickeln und zu testen, die an Bord kommerzieller Flugzeuge für die Echtzeitüberwachung in großen Höhen genutzt werden können.
Derzeit ist ein Instrument namens TEPC (Tissue Equivalent Proportional Counter) das Standardinstrument zur Messung kosmischer Strahlung. Dieses Instrument ist groß, teuer und kann nicht kommerziell gebaut werden, was es weniger ideal für eine großräumige Verbreitung macht.
„Wir brauchen kleine, kompakte, solid-state-basierte Instrumente, die gegen das TEPC-Instrument kalibriert werden, und die die Äquivalentdosis verlässlich messen können. Sie müssen günstig und kompakt in Flugzeuge integriert werden können“, sagte Mertens.
Die Mission testete zwei neue Instrumente, den RaySure-Detektor und den Teledyne-TID-Detektor, in der Hoffnung, dass sie zukünftig in kommerziellen Flugzeugen installiert werden können. Diese neuen Instrumente haben den Vorteil, dass sie kompakt und leicht herzustellen sind. Während des Tests im Rahmen der RaD-X-Mission waren beide Instrumente vielversprechende Kandidaten für die zukünftige Echtzeitüberwachung an Ort und Stelle.
(THK)
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