Einfluss geomagnetischer Effekte auf die Zählrate von EUTEF/DOSTEL an der Internationalen Raumstation (ISS) E-Book
Julia Pilchowski
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Diplomarbeit aus dem Jahr 2009 im Fachbereich Physik - Astronomie, Note: 1.7, Christian-Albrechts-Universität Kiel (Experimentelle und Angewandte Physik), Sprache: Deutsch, Abstract: Unsere Erde ist permanent einem Strom energiereicher Teilchen aus den Tiefen des Weltraums ausgesetzt. Der österreichische Physiker Victor Franz Hess war der Erste, der dieses Phänomen 1912 entdeckte. Anhand von Ballonflügen bis 5000 Meter Höhe erkannte er, dass die ionisierende Strahlung mit zunehmender Höhe ansteigt. Heute wissen wir, dass es sich dabei um geladene Teilchen hoher Energie handelt, die nahezu isotrop auf die Erde eintreffen. Sie ist unter dem Begriff "Kosmische Strahlung" bekannt. Die Vermessung kosmischer energiereicher Teilchen wurde 1958 mit dem ersten amerikanischen Satelliten EXPLORER 1 fortgeführt. Das zur Vermessung benutzte Zählrohr von James van Allen detektierte in großen Höhen außerordentlich hohe Zählraten, so dass man vorerst glaubte, der Weltraum sei radioaktiv. Später erkannte man, dass es sich hierbei vor allem um sehr energiereiche Teilchen handelt, die im Gegensatz zur Kosmischen Strahlung im Erdmagnetfeld gefangen sind. Man gab dieser Population den Namen "Van-Allen-Gürtel" bzw. "Strahlungsgürtel". Nahe der Erdoberfläche treten diese nur in bestimmten Bereichen, beispielsweise im Bereich der sogenannten "Südatlantischen Anomalie" (SAA) in Erscheinung. Die Bedeutung dieser energiereichen Teilchen liegt darin, dass sie mit der Atmosphäre wechselwirken können: Trifft die kosmische Primärstrahlung auf die Erdatmosphäre, so werden die Moleküle und Atome der Lufthülle ionisiert, wobei zahlreiche weitere Sekundärteilchen entstehen, die ebenfalls ionisierend und daher auch schädigend wirken können. Da die abschirmende Wirkung der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe abnimmt, ist es besonders für Astronauten der Internationalen Raumstation (ISS) von Bedeutung das Strahlungsfeld in diesen Höhen zu bestimmen. Dieses setzt sich aus der energiereichen Kosmischen Strahlung und den in höherer Intensität auftretenden Strahlungsgürtelteilchen zusammen. Ein Maß zur Abschätzung der Strahlenbelastung ist die Energiedosis. Neben den unterschiedlichen Eigenschaften der Teilchen ist es auch wichtig, ihre Herkunft zu kennen. Eine wesentliche Rolle kommt hierbei dem Erdmagnetfeld zu, da es einerseits die Kosmische Strahlung abschirmt und andererseits die Magnetfeldlinien die Bahnen der Strahlungsgürtelteilchen bestimmen. dern auch den Verlauf der Feldlinien zu kennen. Ein Maß hierfür ist der sogenannte L-Parameter, der für ein Dipolfeld den Abstand der Feldlinie vom Erdmittelpunkt in der Äquatorialebene angibt.
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Veröffentlichungsjahr: 2010
Ähnliche
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Einuss geomagnetischer Eekte auf die Zählraten von EUTEF/DOSTEL an der Internationalen Raumstation
am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
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Kapitel 1
Einleitung
Unsere Erde ist permanent einem Strom energiereicher Teilchen aus den Tiefen des Weltraums ausgesetzt. Der österreichische Physiker Victor Franz Hess war der Erste, der dieses Phänomen 1912 entdeckte. Anhand von Ballonügen bis 5000 Meter Höhe erkannte er, dass die ionisierende Strahlung mit zunehmender Höhe ansteigt. Heute wissen wir, dass es sich dabei um geladene Teilchen hoher Energie handelt, die nahezu isotrop auf die Erde eintreen. Sie ist unter dem Begri Kosmische Strahlung bekannt. Die Vermessung kosmischer energiereicher Teilchen wurde 1958 mit dem ersten amerikanischen Satelliten EXPLORER 1 fortgeführt. Das zur Vermessung benutzte Zählrohr von James van Allen detektierte in groÿen Höhen auÿerordentlich hohe Zählraten, so dass man vorerst glaubte, der Weltraum sei radioaktiv. Später erkannte man, dass es sich hierbei vor allem um sehr energiereiche Teilchen handelt, die im Gegensatz zur Kosmischen Strahlung im Erdmagnetfeld gefangen sind. Man gab dieser Population den Namen Van-Allen-Gürtel bzw. Strahlungsgürtel. Nahe der Erdoberäche treten diese nur in bestimmten Bereichen, beispielsweise im Bereich der sogenannten Südatlantischen Anomalie (SAA) in Erscheinung.
Die Bedeutung dieser energiereichen Teilchen liegt darin, dass sie mit der Atmosphäre wechselwirken können: Trit die kosmische Primärstrahlung auf die Erdatmosphäre,
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Kapitel 1 Einleitung Kapitel 1 Einleitung
so werden die Moleküle und Atome der Lufthülle ionisiert, wobei zahlreiche weitere Sekundärteilchen entstehen, die ebenfalls ionisierend und daher auch schädigend wirken können. Da die abschirmende Wirkung der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe abnimmt, ist es besonders für Astronauten der Internationalen Raumstation (ISS) von Bedeutung das Strahlungsfeld in diesen Höhen zu bestimmen. Dieses setzt sich aus der energiereichen Kosmischen Strahlung und den in höherer Intensität auftretenden Strahlungsgürtelteilchen zusammen. Ein Maÿ zur Abschätzung der Strahlenbelastung ist die Energiedosis.
Neben den unterschiedlichen Eigenschaften der Teilchen ist es auch wichtig, ihre Herkunft zu kennen. Eine wesentliche Rolle kommt hierbei dem Erdmagnetfeld zu, da es einerseits die Kosmische Strahlung abschirmt und andererseits die Magnetfeldlinien die Bahnen der Strahlungsgürtelteilchen bestimmen. Daher ist es von Bedeutung, nicht nur die Magnetfeldstärke an der Erdoberäche, sondern auch den Verlauf der Feldlinien zu kennen. Ein Maÿ hierfür ist der sogenannte L-Parameter, der für ein Dipolfeld den Abstand der Feldlinie vom Erdmittelpunkt in der Äquatorialebene angibt. Ist der L-Parameter für eine gegebene Feldlinie bekannt, lässt sich auf den Ort der im Magnetfeld gefangen Teilchen schlieÿen.
Um die Strahlenexposition der Astronauten zu bestimmen, wurden bereits mehrfach Messungen auf der ISS durchgeführt, deren Bahn die Erdoberäche zwischen 51,6 Grad nördlicher und südlicher Breite abdeckt. Das DOSimetrie TELeskop DOSTEL auf der EUTEF-Plattform (European Technology Exposure Facility), die im Zeitraum von Februar 2008 bis September 2009 am europäischen Columbus-Modul der ISS montiert war, bot erstmals über einen längeren Zeitraum die Möglichkeit auch Messungen im energieärmeren Bereich durchzuführen. Denn im Gegensatz zu früheren Missionen war das Gerät im freien Weltraum angebracht. Somit wurden die energiearmen Teilchen nicht von der Wand der ISS abgeschirmt. Mit dem seit Juli 2009 innerhalb der Station angebrachten Instruments DOSIS, wurde es möglich das Strahlenfeld innerhalb der Station mit dem auÿerhalb zu vergleichen.
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Kapitel 1 Einleitung Kapitel 1 Einleitung
Aus diesen Zusammenhängen ergeben sich folgende Fragen:
•Wie lässt sich der L-Parameter auf das tatsächliche Erdmagnetfeld verallgemeinern?
•Welcher der beiden oben genannten Teilchenpopulation sind die detektierten Teilchen zuzuordnen?
•Lässt sich daraus auch auf die Teilchensorte schlieÿen?
•Welche (niedrigeren) Energiebereiche werden durch die ISS abgeschirmt?
•Wie ändert sich die Energiedosis durch den Beitrag der energieärmeren Komponente infolge der fehlenden Abschirmung?
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die von DOSTEL gemessenen Zählraten und Energiespektren ausgewertet werden. Insbesondere soll die Quelle der Teilchen bestimmt werden, die auÿerhalb der bereits bekannten SAA stark erhöhte Zählraten bis zu 1000 Teilchen pro Sekunde aufweisen. Hierfür werden zunächst nach einem Überblick über die Grundlagen in Kapitel2und der Funktionsweise des Instruments EUTEF/DOSTEL in Kapitel3die Messdaten in Kapitel4aufbereitet. In Kapitel5wird anschlieÿend das Erdmagnetfeld beschrieben und versucht eine neue Denition des L-Parameters zu nden. Die von dem Gerät detektierten Teilchen werden anhand der Energiespektren in Kapitel6diskutiert und aus ihnen die Energiedosis berechnet. Insbesondere wird auf die Herkunft der Teilchen eingegangen. Zum Abschluss werden die Ergebnisse von DOSTEL auf EUTEF mit denen des in der ISS montierten Experiments DOSIS verglichen.
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Kapitel 2
Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Die Erforschung des interplanetaren Mediums wurde von Hannes Alfvén 1942 eingeleitet. Er hatte mit Hilfe bodengestützer Beobachtungen gezeigt, dass die Sonne eine sehr heiÿe und hochionisierte äuÿere Atmosphäre besitzt. Die dabei entstandene Vermutung einer statischen Gashülle wurde erstmals 1951 durch Ludwig Biermanns Postulat eines von der Sonne wegströmenden Plasmas nach Beobachtungen von Kometenschweifen ver-worfen. Kurze Zeit später entwickelte Parker das erste Sonnenwindmodell. Durch in-situ-Messungen wissen wir heute, dass es sich beim Sonnenwind um ein Plasma bestehend aus Protonen, Elektronen und einer geringen Menge anα-Teilchenhandelt. Die Geschwindigkeit des Sonnenwinds bewegt sich im Mittel zwischen 300 km/s (langsamer Sonnenwind) und 800 km/s (schneller Sonnenwind) (Prölls,2004).An der sogenannten Heliopause stellt sich ein Druckgleichgewicht zwischen dem radial von der Sonne wegströmenden Sonnenwind und dem lokalen interstellaren Medium in einer Entfernung von ungefähr 100 astronomischen Einheiten (1AE: Abstand Sonne-Erde≈149 Mio km) ein. Der darin begrenzte und von der Sonne dominierte Bereich wird Heliosphäre
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Kapitel 2 Grundlagen Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
genannt. In der Heliosphäre werden neben den energiearmen Sonnenwindteilchen auch solare energiereiche Teilchen (Solar Energetic Particles, SEPs), die in den Massenausbrüchen der Sonne beschleunigt werden, beobachtet, sowie Teilchen anderer Herkunft im Energiebereich von einigen keV bis hin zu1020eV detektiert. Vorwiegend handelt es sich hierbei um Protonen, Elektronen und schwere Kerne der Galaktischen Kosmischen Strahlung (siehe Kapitel2).Für diese Arbeit sind vorwiegend Teilchen der Galaktischen Kosmischen Strahlung, sowie Teilchen aus den Strahlungsgürteln der Erde von Bedeutung und werden daher im Folgenden näher erläutert.
Strahlungsgürtelteilchen
Gelangen geladene Teilchen in das Erdmagnetfeld, so können sie dort innerhalb der Strahlungsgürtel eingeschlossen werden. Ein Strahlungsgürtel bezeichnet eine Population energiereichen Teilchen, die auf stabilen Bahnen innerhalb der Plasmasphäre gefangen sind. Die Erde hat zwei Strahlungsgürtel, einen inneren und einen äuÿeren, die sich gürtelförmig im Abstand von einigen Erdradien in der Äquatorebene um die Erde erstrecken. Sie wurden 1958 von James van Allen im Zuge der amerikanischen Satellitenmissionen Explorer nachgewiesen (vanAllen, 1958).Daher werden sie auch Van-Allen-Gürtel genannt.
Der innere Van-Allen-Gürtel besteht aus energiereichen Protonen (Teilchenenergie > 30 MeV) und Elektronen (Teilchenenergie > 1,6 MeV) mit annähernd konstanter Teilchendichte, sowie aus einem geringen Anteil schwererer Teilchen. Der äuÿere Gürtel ist energieärmer (Teilchenenergie < 1 MeV) und beinhaltet hauptsächlich Elektronen. Er unterliegt starken Schwankungen in Abhängigkeit der Sonnenaktivität. In Abbildung6.7sind die Verteilung der Strahlungsgürtel im Erdmagnetfeld und die Linien konstanten Teilchenusses verdeutlicht.
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Kapitel 2 Grundlagen Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Abbildung 2.1:Schematischer Schnitt durch die Van-Allen-Gürtel. Der Abstand
vom Erdmittelpunkt ist in Erdradien (RE) angegeben. Bild (a) verdeutlicht die Protonengürtelverteilung, Bild (b) die Elektronengürtelverteilung. Die in grau schattierten Flächen deuten Bereiche verschiedener Energie an (Kippenhahnund Möllenho, 1975).
Die linke Darstellung zeigt die Verteilung der Protonen, wobei die durchgezogenen Linien die Verteilung der Teilchen mit Energien gröÿer als 30 MeV darstellen und die gepunktete Fläche solche mit Energien zwischen 0,1 und 5 MeV. Es fällt auf, dass in Entfernungen innerhalb von einem Erdradius (1RE2)geworfen und absorbiert. Weiter auÿen im Magnetfeld nimmt die Dichte der Teilchen stark ab. Der Fluÿ der energiearmen Protonenkomponente (0,1 bis 5 MeV) ist wesentlich gröÿer als der der energiereichen Protonenkomponente (>30 MeV). Im rechten Bild ist die Elektronengürtelverteilung gezeigt. Die niederenergetische Komponente (0,04 bis 1 MeV), dargestellt durch den gepunkteten Bereich, ist weiter ausgeprägt als bei den Protonen. Sie erstreckt sich zwischen 1,0 und 8,5RE. Die energiereiche Komponente (durchgezogene Linien) mit Energien gröÿer als 1,6 MeV ist ebenfalls
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Kapitel 2 Grundlagen Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
weitläuger ausgedehnt als bei den Protonen, nämlich bis 7RE.
Tabelle2fasst die Energien und Intensitäten der Strahlungsgürtelteilchen zusammen.
Tabelle 2.1:Zusammenfassung der Energien und Intensitäten der Teilchen des inneren
und äuÿeren Strahlungsgürtels für mittlere Sonnenaktivität (Kippenhahnund Möllenho, 1975).
Die Anzahl der Strahlungsgürtelteilchen wird durch Verlust- und Quellprozesse in Waage gehalten. Verluste entstehen zum einen durch Streuung der Teilchen an magnetischen Fluktuationen oder durch Wechselwirkung mit Atmosphärenteilchen, wobei Teilchen dadurch die magnetische Flasche (siehe Abbildung2.11bzw. Kapitel2)verlassen können. Zum anderen kann sich auch die Magnetfeldstruktur ändern, zum Beispiel durch starke solare Ereignisse. Die energiereichen Protonen im inneren Gürtel werden lokal durch den sogenannten CRAND-Prozess (Cosmic Ray Albedo Neutron Decay) produziert, bei dem die nicht stabilen Neutronen in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zerfallen (z.B. (Kallenrode,1998)).Diese Neutronen enstehen durch Wechselwirkung der Galaktischen Kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre. Dieser Prozess ist alledings nicht ezient genug, um die Enstehung des Elektronengürtels zu erklären. Die Elektronen stammen aus zwei anderen Quellen, zum einen aus dem Sonnenwind und zum anderen aus der Ionosphäre, aus der sie in der Umgebung der magnetischen Pole in die Magnetosphäre eindringen. Ursache dafür sind feldlinienparallele Ströme, die die Magnetosphäre mit der Ionosphäre verbinden (Birkelandströme). Bei erhöhter solarer Aktivität steigt der Elektronenuss im äuÿeren Strahlungsgürtel an. Zum einen gelangen die Elek-
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Kapitel 2 Grundlagen Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
tronen durch Magnetfeldlinienverschmelzung (Rekonnextion) in die Schweifregion und zum anderen über die Polkappen durch Konvektion der Feldlinien. Da die Elektronenenergien in der Ionosphäre kleiner als 1 eV sind und solche im Sonnenwind im Durchschnitt eine Energie von 10 eV haben, im Strahlungsgürtel aber Elektronenenergien bis 15 MeV erreicht werden, muss es einen Beschleunigungsmechanismus geben. Dieser beruht auf magnetischen Fluktuationen, die zum Beispiel zur Fermi-Beschleunigung zweiter Ordnung führen, bei der Teilchen, die durch ein turbulentes Plasma hindurch diundieren, beschleunigt werden.
Galaktische Kosmische Strahlung
Bis zum Jahre 1912 glaubte man, dass die auf der Erde messbare ionisierende Strahlung von radioaktiven Elementen aus dem Erdmantel stamme. Mit Viktor Hess' Entdeckung einer Zunahme der Strahlung mit der Höhe, glaubte man zunächst eine neue Art von elektromagnetischer Strahlung erkannt zu haben und gab ihr daher den Namen Höhenstrahlung. Erst später wurde klar, dass es sich dabei um energiereiche Teilchen handelt, die vor allem galaktischen Ursprungs sind.
Diese Galaktische Kosmische Strahlung (`"Galactic Cosmic Ray, GCR) fällt isotrop und zeitlich konstant in das Sonnensystem ein. Sie setzt sich aus einer geladenen Komponente zusammen, sowie aus Neutrinos und Photonen. Die geladene Komponente besteht zu
87%aus Protonen,12%α-Teilchen,1%schweren Kernen und2%Elektronen (Ginzburgund Syrovatskii, 1964).Die Abbildung2.2verdeutlich das Energiepektrum der GCR.
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Kapitel 2 Grundlagen Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Abbildung 2.2:Spektrum der Galaktischen Kosmischen Strahlung. Es sind Spektren
für verschiedene Teilchen bei unterschiedlicher Sonnenaktivität dargestellt. Der jeweils obere Ast stellt den Verlauf im solaren Minimum und der untere den Verlauf im solaren Maximum dar (Meyeret al., 1974).
