Was ist kosmische Strahlung – Definition

Kosmische Strahlung bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von kosmischen Strahlen, die von der Sonne oder aus dem Weltraum kommen. Die primäre kosmische Strahlung besteht aus einer Mischung von hochenergetischen Protonen (~ 87%), Alpha-Teilchen (~ 11%), hochenergetischen Elektronen (~ 1%) und einer Spur schwererer Kerne (~ 1%). Strahlendosimetrie

Kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung - Natürliche Strahlungsquelle
Quelle: nasa.gov Lizenz: Public Domain

Kosmische Strahlung bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von kosmischen Strahlen , die von der Sonne oder aus dem Weltraum kommen. Die Erde wurde schon immer von energiereichen Partikeln aus dem Weltraum bombardiert, die in der unteren Atmosphäre Sekundärpartikelschauer erzeugen. Geladene Teilchen (insbesondere hochenergetische Protonen) von der Sonne und dem Weltraum Interact mit der Atmosphäre der Erde und eine Magnetfeld zu erzeugen , Dusche von Strahlung (dh Luftdusche), typischerweise Beta und Gammastrahlung . Wenn Sie in höheren Lagen leben oder ein häufiger Fluggast sind, kann diese Exposition erheblich höher sein, da die Atmosphäre hier dünner ist. Die Auswirkungen des Erdmagnetfeldesbestimmt auch die Dosis aus der kosmischen Strahlung .

In Bodennähe tragen die Myonen mit Energien, die meist zwischen 1 und 20 GeV liegen, etwa 75% zur absorbierten Dosisrate in freier Luft bei. Der Rest stammt von Elektronen, die von den Myonen erzeugt werden oder in der elektromagnetischen Kaskade vorhanden sind. Die jährliche Dosis der kosmischen Strahlung auf Meereshöhe beträgt etwa 0,27 mSv (27 mrem).

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Die primäre kosmische Strahlung besteht aus einer Mischung von hochenergetischen Protonen (~ 87%), Alpha-Teilchen (~ 11%), hochenergetischen Elektronen (~ 1%) und einer Spur schwererer Kerne (~ 1%). Die Energie dieser Partikel liegt zwischen 10 8 eV und 10 20 eV. Ein sehr kleiner Anteil sind stabile Antimaterieteilchen wie Positronen oder Antiprotonen . Die genaue Natur dieser verbleibenden Fraktion ist ein Bereich der aktiven Forschung.

kosmische StrahlungsquelleIn der Folge entstehen durch Wechselwirkungen zwischen Primärpartikeln und der Erdatmosphäre eine Vielzahl von Sekundärpartikeln , insbesondere Neutronen und geladene Pionen . Da es sich bei Pionen um kurzlebige subatomare Partikel handelt, entstehen beim anschließenden Zerfall der Pionen hochenergetische Myonen . In Bodennähe tragen die Myonen mit Energien, die meist zwischen 1 und 20 GeV liegen, etwa 75% zur absorbierten Dosisrate in freier Luft bei. Die Dosisleistung der kosmischen Strahlung variiert in verschiedenen Teilen der Welt und hängt stark vom Erdmagnetfeld , der Höhe und dem Sonnenzyklus ab. Die Dosisleistung für kosmische Strahlung in Flugzeugen ist so hoch, dass laut UNSCEAR 2000-Bericht der Vereinten Nationen Flugpersonal im Durchschnitt mehr Dosisleistung erhält als jeder andere Arbeitnehmer, auch in Kernkraftwerken.

Wir müssen auch die Neutronen in Bodennähe einbeziehen. Kosmische Strahlung interagiert mit Kernen in der Atmosphäre und erzeugt auch energiereiche Neutronen . Laut UNSCEAR beträgt die Fluenz von Neutronen 0,0123 cm –2 s –1 auf Meereshöhe bei einem geomagnetischen Breitengrad von 45 N. Basierend auf diesen Angaben wird die effektive jährliche Dosis von Neutronen auf Meereshöhe und bei einem Breitengrad von 50 Grad auf 0,08 mSv geschätzt (8 mrem). Bemerkenswerterweise ist der Neutronenfluss in der Nähe größerer schwerer Objekte, z. B. von Gebäuden oder Schiffen, höher. Dieser Effekt wird als „kosmisch strahleninduzierte Neutronensignatur“ oder “ Schiffseffekt “ bezeichnet“, Wie es erstmals bei Schiffen auf See festgestellt wurde. Kosmische Strahlen erzeugen Schauer in der Atmosphäre, die ein breites Spektrum an sekundären Neutronen, Myonen und Protonen umfassen. Die sekundären Neutronen können sehr energiereich sein und in bodennahen Materialien Abplatzungen hervorrufen. In der Nähe größerer schwererer Objekte werden diese bei Spallationsereignissen erzeugten Mehrfachneutronen daher als „Schiffseffekt“ -Neutronen bezeichnet .

In der oberen Atmosphäre produzierte Neutronen sind auch für die Erzeugung von radioaktivem Kohlenstoff-14 verantwortlich, dem bekanntesten kosmogenen Radionuklid. Kohlenstoff-14 wird in der oberen Atmosphäre kontinuierlich durch Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit atmosphärischem Stickstoff gebildet. Im Durchschnitt nur einer von 1,3 x 10 12Kohlenstoffatome in der Atmosphäre sind ein radioaktives Kohlenstoff-14-Atom. Infolgedessen enthalten alle lebenden biologischen Substanzen die gleiche Menge an C-14 pro Gramm Kohlenstoff, dh 0,3 Bq Kohlenstoff-14-Aktivität pro Gramm Kohlenstoff. Solange das biologische System lebt, ist der Spiegel aufgrund der konstanten Aufnahme aller Kohlenstoffisotope konstant. Wenn das biologische System stirbt, hört es auf, Kohlenstoff mit seiner Umgebung auszutauschen, und von diesem Zeitpunkt an beginnt die Menge an Kohlenstoff-14, die es enthält, abzunehmen, wenn der Kohlenstoff-14 einem radioaktiven Zerfall unterliegt.

Energie der kosmischen Strahlung

Es wurde beobachtet, dass die Energien der energiereichsten kosmischen Ultrahochenergiestrahlung (UHECR) sich 3 x 10 20 eV annähern , was etwa dem 40-Millionen-fachen der Energie von Partikeln entspricht, die durch den Large Hadron Collider beschleunigt wurden. Der Ursprung der energiereichen Partikel liegt im Weltraum. Es wird angenommen, dass Teilchen mit einer Energie von bis zu 10 15 eV aus unserer eigenen Galaxie stammen, während diejenigen mit der höchsten Energie wahrscheinlich einen extragalaktischen Ursprung haben.

Klassifikation der kosmischen Strahlung

Die kosmische Strahlung kann je nach Herkunft in verschiedene Arten unterteilt werden. Es gibt drei Hauptquellen für solche Strahlung:

  • Solare kosmische Strahlung . Unter kosmischer Sonnenstrahlung versteht man Strahlungsquellen in Form von energiereichen Teilchen (vorwiegend Protonen), die von der Sonne emittiert werden, hauptsächlich bei Sonnenpartikelereignissen (SPEs).
  • Galaktische kosmische Strahlung . Galaktische kosmische Strahlung, GCR, bezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von energiereichen Partikeln, die außerhalb des Sonnensystems, aber im Allgemeinen innerhalb unserer Milchstraßengalaxie stammen.
  • Strahlung von Erdstrahlungsgürteln ( van Allen-Gürtel ). Van-Allen-Strahlungsgürtel sind Zonen energiereicher Teilchen (insbesondere Protonen), die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden.

Galaktische kosmische Strahlung

Galaktische kosmische Strahlung , GCRbezieht sich auf Strahlungsquellen in Form von energiereichen Partikeln, die außerhalb des Sonnensystems entstehen. GCR sind hochenergetische Kerne, von denen alle umgebenden Elektronen während ihres Hochgeschwindigkeitsdurchgangs durch die Galaxie entfernt wurden. Die auf die obere Atmosphäre einfallenden GCR bestehen aus einer nukleonalen Komponente, die 98% der Gesamtmenge ausmacht (2% sind Elektronen). Die Nukleonenkomponente besteht dann aus einer Mischung von hochenergetischen Protonen (~ 86%), Alpha-Partikeln (~ 12%) und einer Spur schwererer Kerne (~ 1%). GCR werden vom galaktischen Magnetfeld eingefangen, daher wurden sie wahrscheinlich in den letzten Millionen Jahren beschleunigt und sind viele Male durch die Galaxie gereist. Ihr Beschleunigungsmechanismus ist ungewiss, Einer der möglichen Mechanismen besteht jedoch darin, dass die Partikel durch Stoßwellen beschleunigt werden, die sich aus Supernovae ausdehnen. Die Energie dieser Teilchen liegt zwischen 108 eV und 10 20 eV. Eine sehr kleine Fraktion sind stabile Antimaterieteilchen wie Positronen oder Antiprotonen.

Die genaue Art dieser verbleibenden Fraktion ist ein Bereich aktiver Forschung. Die GCR-Fluenzrate variiert mit der Sonnenaktivität und ist niedriger, wenn die Sonnenaktivität höher ist. Bei Sonnenminima ist die Fluenz aufgrund der geringeren Abschirmung des Sonnenmagnetfelds signifikant höher als bei Sonnenmaximum.

Solare kosmische Strahlung – Sonnenpartikelereignis

Unter kosmischer Sonnenstrahlung versteht man Strahlungsquellen in Form von energiereichen Teilchen (vorwiegend Protonen), die von der Sonne emittiert werden , hauptsächlich bei Sonnenpartikelereignissen (SPEs). Die auf die obere Atmosphäre einfallende Sonnenstrahlung besteht hauptsächlich aus Protonen (99%) mit Energien im Allgemeinen unter 100 MeV. Sonnenpartikelereignisse treten beispielsweise auf, wenn von der Sonne emittierte Protonen während eines Flares entweder in der Nähe der Sonne oder im interplanetaren Raum durch koronale Massenausstoßschocks beschleunigt werden. Beachten Sie, dass die Sonne einen 11-Jahres-Zyklus hat, der zu einem dramatischen Anstieg der Anzahl und Intensität von Sonneneruptionen führt, insbesondere in Zeiten mit zahlreichen Sonnenflecken.

Sonnenstrahlung stellt eine erhebliche Strahlungsgefahr für Raumfahrzeuge und Astronauten dar und erzeugt auch in großen Höhen signifikante Dosisraten, aber nur die energiereichste Strahlung trägt zu Dosen in Bodennähe bei. Beachten Sie, dass jeder, der sich während eines besonders heftigen Sonnenausbruchs im Jahr 2005 auf der Mondoberfläche befunden hatte, eine tödliche Dosis erhalten hätte .

Strahlung von Erdstrahlungsgürteln – Van Allen-Gürtel

van Allen Strahlungsgürtel - Satelliten
Quelle: nasa.gov Lizenz: Public Domain

Van-Allen-Strahlungsgürtel sind Zonen hochenergetischer Partikel (insbesondere Protonen), die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden . Die meisten dieser hochenergetischen Teilchen stammen vom Sonnenwind, der vom Magnetfeld dieser Erde erfasst und um einen Planeten gehalten wurde. Der Van-Allen-Gürtel ist wie ein Torus über dem Äquator geformt. Es gibt zwei Van-Allen-Strahlungsgürtel, ein innerer Gürtel ist etwa 3.000 Kilometer und ein äußerer Gürtel etwa 22.000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Es enthält hauptsächlich energetische Protonen im Bereich von 10-100 MeV.

Raumschiffe, die sich jenseits der Erdumlaufbahn bewegen, betreten die Strahlungszone der Van-Allen-Gürtel. Über die Gürtel hinaus sind sie zusätzlichen Gefahren durch kosmische Strahlung und Sonnenpartikelereignisse ausgesetzt. Ein Bereich zwischen dem inneren und dem äußeren Van-Allen-Gürtel liegt bei zwei bis vier Erdradien und wird manchmal als „sichere Zone“ bezeichnet.

Dosisleistung im Flugzeug – Strahlung im Flug

Die Exposition gegenüber kosmischer Strahlung nimmt mit der Höhe rasch zu. Im Flug sind zwei Hauptquellen natürlicher Strahlung zu berücksichtigen: Galaktische kosmische Strahlen, die immer vorhanden sind, und solare Protonenereignisse, manchmal auch als solare kosmische Strahlung (SCR) bezeichnet, die sporadisch auftreten. Die Dosisleistung der kosmischen Strahlung variiert in verschiedenen Teilen der Welt und hängt stark vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus ab. Das Strahlungsfeld in Flugzeughöhen besteht aus Neutronen, Protonen und Pionen. Im Flug tragen Neutronen 40 – 80% zur Äquivalentdosis bei, abhängig vom Erdmagnetfeld, der Höhe und dem Sonnenzyklus. Die Dosisleistung für kosmische Strahlung in Flugzeugen ist so hoch (aber nicht gefährlich), dass laut UNSCEAR 2000-Bericht der Vereinten Nationen Flugbesatzungsmitarbeiter im Durchschnitt mehr Dosis erhalten als alle anderen Arbeitnehmer, einschließlich derjenigen in Kernkraftwerken.

Die Bodendosisrate beträgt im Durchschnitt etwa 0,10 μSv / h, kann jedoch bei maximaler Flughöhe (8,8 km oder 29.000 ft) etwa 2,0 μSv / h (oder sogar höhere Werte) erreichen. Eine Dosisleistung von 4 μSv / h kann verwendet werden, um die durchschnittliche Dosisleistung für alle Langstreckenflüge (aufgrund höherer Flughöhen) darzustellen. Für Überschallflugzeuge wie die Concorde, die in 3,5 Stunden einen Transatlantikflug durchführen könnten, muss hinzugefügt werden, dass die Expositionsrate (ca. 9 μSv / h ) in ihrer Höhe von 18 km ausreichend erhöht wurde, um die gleiche Exposition gegenüber kosmischen Strahlen pro Flugzeug zu erzielen Kreuzung wie bei konventionellen Jets, die sich in ca. 8 km Länge bewegen.

Abschirmung der kosmischen Strahlung

Magnetosphäre - Erdmagnetfeld
Eine künstlerische Darstellung der Struktur einer Magnetosphäre: 1) Bogenschock. 2) Magnetscheide. 3) Magnetopause. 4) Magnetosphäre. 5) Nördlicher Schwanzlappen. 6) Südlicher Schwanzlappen. 7) Plasmasphäre. Quelle: nasa.gov Lizenz: Public Domain

Das Erdmagnetfeld bietet einen lebenswichtigen Strahlenschutz für kosmische Strahlung. Neben einer schützenden Atmosphäre haben wir auch das Glück, dass die Erde ein Magnetfeld hat. Das Magnetfeld erstreckt sich über mehrere Zehntausende Kilometer in den Weltraum und schützt die Erde vor den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und den kosmischen Strahlen, die sonst die obere Atmosphäre ablösen würden, einschließlich der Ozonschicht, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt. Es schützt uns vor den vollen Auswirkungen des Sonnenwinds und der GCR. Ohne diesen Schutz könnte die Biosphäre der Erde nicht so existieren wie heute oder zumindest auf den Untergrund beschränkt sein. Das Erdmagnetfeld bietet auch einen Strahlenschutz für Astronauten und die ISS selbst, da es sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn befindet.

Berechnungen des Verlusts von Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre infolge des Abfangens von Ionen durch den Sonnenwind zeigen, dass die Dissipation des Magnetfelds des Mars einen nahezu vollständigen Verlust seiner Atmosphäre verursachte.

Kosmische Strahlung – Ist es gefährlich?

Wir müssen betonen, dass das Essen von Bananen, das Arbeiten als Flugbesatzungsmitglied oder das Leben an Orten mit erhöht Ihre jährliche Dosisleistung. Das heißt aber nicht, dass es gefährlich sein muss. In jedem Fall spielt auch die Intensität der Strahlung eine Rolle. Es ist sehr ähnlich wie bei Feuerwärme (weniger energetische Strahlung). Wenn Sie zu nahe sind, ist die Intensität der Wärmestrahlung hoch und Sie können sich verbrennen. Wenn Sie in der richtigen Entfernung sind, können Sie dort problemlos standhalten und es ist außerdem bequem. Wenn Sie zu weit von der Wärmequelle entfernt sind, kann Sie auch die Unzulänglichkeit der Wärme verletzen. Diese Analogie kann in gewissem Sinne auch auf Strahlung von Strahlungsquellen angewendet werden.

LNT-Modell und Hormesemodell
Alternative Annahmen für die Extrapolation des Krebsrisikos gegenüber der Strahlendosis auf niedrig dosierte Werte bei einem bekannten Risiko bei hoher Dosis: LNT-Modell und Hormesemodell.

Bei Strahlung von kosmischen Strahlen handelt es sich um sogenannte „niedrige Dosen“ . Niedrige Dosis bedeutet hier zusätzliche kleine Dosen, die mit der normalen Hintergrundstrahlung vergleichbar sind ( 10 µSv = durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund). Die Dosen sind sehr sehr niedrig und daher könnte die Wahrscheinlichkeit einer Krebsinduktion nahezu vernachlässigbar sein. Zweitens, und dies ist von entscheidender Bedeutung, muss noch die Wahrheit über die gesundheitlichen Auswirkungen von Strahlung mit niedriger Dosis herausgefunden werden. Es ist nicht genau bekannt, ob diese niedrigen Strahlungsdosen schädlich oder vorteilhaft sind (und wo die Schwelle liegt). Regierung und Aufsichtsbehörden gehen von einem LNT-Modell anstelle einer Schwelle oder Hormese ausnicht weil es wissenschaftlich überzeugender ist, sondern weil es die konservativere Schätzung ist . Das Problem dieses Modells ist, dass es eine Reihe von verteidigungsbiologischen Prozessen vernachlässigt , die bei niedrigen Dosen entscheidend sein können . Die Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten ist sehr interessant und zeigt, dass kleine Strahlungsdosen bei niedriger Dosisrate die Abwehrmechanismen stimulieren . Daher wird das LNT-Modell nicht allgemein akzeptiert, da einige eine adaptive Dosis-Wirkungs-Beziehung vorschlagen, bei der niedrige Dosen schützend und hohe Dosen schädlich sind. Viele Studien haben dem LNT-Modell widersprochen, und viele von ihnen haben eine adaptive Reaktion auf niedrig dosierte Strahlung gezeigt, was zu reduzierten Mutationen und Krebs führt. Dieses Phänomen ist bekannt alsStrahlenhormese .

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.