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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Strahlungsgürtelteilchen
Galaktische Kosmische Strahlung
Modulation der Galaktischen Kosmischen Strahlung
Das Erdmagnetfeld
Das erdnahe Magnetfeld
Die Südatlantische Anomalie
Der McIlwain-Parameter für einen magnetischen Dipol
Bewegung geladener Teilchen im Erdmagnetfeld
Plasmaphysikalische Grundlagen
Cutoff-Steifigkeiten
Die Bahn der Internationalen Raumstation
Wechselwirkung geladener Teilchen in Materie
Bethe-Bloch-Formel
Die Energiedosis
Halbleiterdetektor
Teilchenregistrierung
Signalverarbeitung
3 EUTEF/DOSTEL
Aufbau
4 Datenaufbereitung
Zeitsynchronisation
Energiekalibrierung
5 Berechnung des McIlwain-Parameters
Erweiterung
Traditionelle Berechnung
6 Dateninterpretation
Zählratenprofile
Teilchenpopulation
Energieverlustspektren
Gemessene Dosiswerte mit DOSTEL
Das Experiment DOSIS
7 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss geomagnetischer Effekte auf die gemessenen Zählraten des Strahlungsmessgeräts DOSTEL auf der EUTEF-Plattform der Internationalen Raumstation (ISS), mit dem Ziel, die Herkunft der Teilchen zu identifizieren und die Strahlenbelastung im Orbit zu quantifizieren.
- Analyse der räumlichen Teilchenverteilung und Identifikation von Strahlungsquellen wie der Südatlantischen Anomalie (SAA).
- Entwicklung einer numerischen Methode zur Verallgemeinerung und Berechnung des McIlwain-L-Parameters für ein realistisches Erdmagnetfeld.
- Auswertung von Energieverlustspektren zur Unterscheidung zwischen Protonen und Elektronen im inneren und äußeren Strahlungsgürtel.
- Vergleich der DOSTEL-Messdaten mit den Daten des Experiments DOSIS zur Untersuchung von Abschirmungseffekten durch die ISS-Struktur.
Auszug aus dem Buch
Teilchenpopulationen im erdnahen Raum
Die Erforschung des interplanetaren Mediums wurde von Hannes Alfvén 1942 eingeleitet. Er hatte mit Hilfe bodengestützter Beobachtungen gezeigt, dass die Sonne eine sehr heiße und hochionisierte äußere 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 verworfen. 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 an α-Teilchen handelt. 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 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 zu 10^20 eV detektiert. Vorwiegend handelt es sich hierbei um Protonen, Elektronen und schwere Kerne der Galaktischen Kosmischen Strahlung (siehe Kapitel 2). 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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Arbeit durch die Relevanz der Strahlenbelastung im Weltraum und formuliert die zentralen Forschungsfragen hinsichtlich des Einflusses des Erdmagnetfeldes auf die Teilchenmessungen.
2 Grundlagen: Hier werden die theoretischen Voraussetzungen geschaffen, von der Dynamik geladener Teilchen im Magnetfeld bis hin zur Wechselwirkung der Strahlung mit Materie und dem Messprinzip des Detektors.
3 EUTEF/DOSTEL: Dieses Kapitel beschreibt das wissenschaftliche Instrument, dessen Aufbau und Funktionsweise auf der EUTEF-Plattform sowie die Prinzipien der Teilchenregistrierung.
4 Datenaufbereitung: Hier werden die notwendigen Korrekturen der Messdaten wie Zeitsynchronisation und Energiekalibrierung für eine korrekte Interpretation erläutert.
5 Berechnung des McIlwain-Parameters: Dieses Kapitel widmet sich der numerischen Berechnung des L-Parameters für ein realistisches Erdmagnetfeld als Alternative zur traditionellen Dipol-Näherung.
6 Dateninterpretation: In diesem Hauptteil werden die gemessenen Zählraten und Spektren analysiert, Teilchenquellen zugeordnet und eine Dosiseinschätzung vorgenommen.
7 Zusammenfassung: Die Ergebnisse werden resümiert und die Bedeutung der Messungen für zukünftige Strahlungsstudien unterstrichen.
Schlüsselwörter
Weltraumstrahlung, Erdmagnetfeld, Strahlungsgürtel, Dosimetrie, EUTEF, DOSTEL, McIlwain-Parameter, Sonnenwind, Galaktische Kosmische Strahlung, Internationale Raumstation, Südatlantische Anomalie, Energieverlustspektren, Teilchendetektion, Abschirmung, Plasmaphysik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Analyse der energiereichen Teilchenstrahlung im erdnahen Raum und deren Detektion durch das Instrument DOSTEL auf der Internationalen Raumstation.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Dynamik geladener Teilchen im Erdmagnetfeld, der physikalischen Beschreibung des Magnetfeldes und der Interpretation von Zählraten und Strahlendosen im Weltraum.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel besteht darin, die von DOSTEL gemessenen Zählraten zu verstehen, die Herkunft der Teilchen (z.B. Strahlungsgürtel oder galaktischer Ursprung) zu bestimmen und die Strahlenexposition zu berechnen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Neben der Auswertung von Messdaten werden numerische Verfahren zur Berechnung des L-Parameters in einem realistischen Magnetfeldmodell angewandt sowie Simulationen der Energieverluste im Detektormaterial durchgeführt.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Instrumentierung, die Vorbereitung und Korrektur der Daten, die Berechnung geomagnetischer Parameter und die umfangreiche Interpretation der Messergebnisse.
Welche Begriffe charakterisieren die Forschungsarbeit?
Zu den prägenden Begriffen zählen der McIlwain-L-Parameter, die Südatlantische Anomalie (SAA), Bethe-Bloch-Formel, Energiedosis und galaktische kosmische Strahlung.
Was bewirkt die Südatlantische Anomalie für die Messungen?
In der SAA tritt der innere Strahlungsgürtel sehr nahe an die Erdoberfläche heran, was zu auffallend hohen Zählraten führt, die im Zeitprofil der ISS deutlich als Peaks erkennbar sind.
Wie wurde der Vergleich mit dem DOSIS-Experiment durchgeführt?
Durch einen zeitlichen Abgleich der Messdaten von DOSTEL (außerhalb der ISS) und DOSIS (innerhalb der ISS) konnte der abschirmende Effekt der Raumstationshülle auf die niederenergetische Teilchenkomponente quantitativ bestimmt werden.
- Citar trabajo
- Julia Pilchowski (Autor), 2009, Einfluss geomagnetischer Effekte auf die Zählrate von EUTEF/DOSTEL an der Internationalen Raumstation (ISS), Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/145177
