Kosmische straling in de stratosfeer

Kosmische straling in onze atmosfeer

J. Van Houtte, promotor: prof.dr. N. van Remortel

Op aarde worden we voortdurend gebombardeerd door elementaire deeltjes en atoomkernen afkomstig van astrofysische bronnen, zoals de zon. De kosmische straling botst met de luchtmoleculen in onze atmosfeer wat een deeltjescascade veroorzaakt, een regen van miljoenen deeltjes die propageren tot aan het aardoppervlak. Honderd jaar na de ontdekking van kosmische straling door Victor Hess ontwikkelt de onderzoeksgroep voor elementaire deeltjesfysica van de Universiteit Antwerpen een detector om deze lawine van deeltjes tot op een hoogte van 30 km op te meten.

ASGARD-project

Het ASGARD-project is een samenwerking tussen het KMI, ESERO en het Sint Pieterscollege Jette die andere instellingen de mogelijkheid biedt om deel te nemen aan atmosferisch onderzoek door een weerballon en hun expertise ter beschikking te stellen. De onderzoeksgroep voor elementaire deeltjesfysica van de Universiteit Antwerpen ontwikkelde op initiatief van het Sint Niklaas-instituut te Anderlecht een compacte detector om de flux van kosmische straling op te meten, in teken van mijn thesis. De zogenaamde HACORD-detector die op 27 maart 2014 werd gelanceerd in Ukkel te Brussel leverde ons na een jaar voorbereiding informatie op over de richting en hoogte afhankelijke flux van de kosmische straling in onze atmosfeer.
 

HACORD-detector

De HACORD-detector, afgebeeld in fig.1, maakt gebruik van vier cilindervormige geiger-müllerbuizen om de ioniserende straling, voornamelijk afkomstig van de zon, op te meten. Wanneer een ioniserend deeltje een geiger-müllerbuisje kruist veroorzaakt deze een stroompulsje dat verder verwerkt wordt door een mbed-microprocessor, het “hart” van de detector waar de berekeningen en de opslag van de data plaatsvindt. Bovendien meet de HACORD-detector de atmosferische druk op die via een barometrisch verband kan worden omgezet naar de hoogte.
De positionering van de vier geiger-müllerbuizen ten opzichte van elkaar zoals weergegeven in fig.1 is zodanig gekozen dat informatie over de richting van de kosmische straling verkregen kan worden. Een horizontaal invallend deeltje veroorzaakt bijvoorbeeld gelijktijdige pulsen in geiger-müllertellers 3 en 4. Elk koppel van geiger-müllertellers spant zo een ruimtehoek op waarbinnen deeltjes zogenaamde coïncidenties kunnen veroorzaken. Door de geometrie van de detector kunnen deeltjes onderscheiden worden die horizontaal, verticaal of schuin invallen.
 

Vlucht doorheen de deeltjeslawine

Na er een jaar aan gewerkt te hebben wordt de HACORD-detector geïntegreerd in de gondel van de ASGARD-weerballon, klaar om op te stijgen. Gedeeltelijk gevuld met waterstofgas stijgt de ballon op, terwijl de detector wordt blootgesteld aan de ioniserende straling afkomstig van de zon. Op een hoogte van 12 km komt de ballon in de tropopauze terecht en begint sneller te stijgen. De HACORD-detector meet steeds een grotere flux aan ioniserende deeltjes tot op een hoogte van 19 km. Elke teller detecteert op dat ogenblik gemiddeld 31 deeltjes per seconde. Naarmate dat de ballon verder stijgt neemt de flux in alle richtingen af en er wordt uiteindelijk een isotrope verdeling gemeten aan inkomende straling, terwijl er op lagere hoogte een grotere flux werd gemeten in verticale richting dan in horizontale richting. Op 30 km hoogte is de doorsnede van de ballon vier maal zo groot geworden als die op het aardoppervlak was. De elasticiteit van de ballon kan dit niet aan en scheurt waarop de gondel naar het aardoppervlak terugvalt.
Het fluxverloop, geïllustreerd in fig.2, dat werd opgemeten tijdens deze vlucht wordt als volgt verklaard. Wanneer het primaire kosmische deeltje botst met een stikstof of zuurstofmolecule uit de lucht wordt er een deeltjeslawine veroorzaakt die verder aangroeit omdat ook de secundaire deeltjes botsingen ondergaan en nieuwe deeltjes creëren. Na een tijdje neemt de flux van secundaire deeltjes opnieuw af door energieverlies [1]. De maximale flux wordt het Pfotzermaximum genoemd en is een karakteristieke eigenschap voor het verloop van de deeltjescascade [2]. Ten gevolge van de afscherming door het aardmagnetisch veld is dit Pfotzermaximum niet gelijk op alle plaatsen op aarde. Fig.2 vergelijkt eveneens de HACORD-data met de resultaten van een gelijkaardig experiment, uitgevoerd door het Lebedev Instituut in Moskou in dezelfde week opgenomen [10]. Het afschermingseffect van het aardmagnetisch veld is op hogere breedtegraad zwakker waardoor een grotere flux aan kosmische straling wordt gemeten.
 

Maatschappelijk belang achter kosmische straling

De zon bevond zich op het moment van de ballonvlucht in het 24e zonnemaximum. Door de grote magnetische activiteit op de zon blijven geladen deeltjes beter ingevangen in dat magnetisch veld dan bij een zonneminimum het geval is. Voor toekomstige ballonvluchten verwachten we daarom een vergrote flux aan laag energetische kosmische deeltjes over heel de atmosfeer.
Het is van maatschappelijk belang om de activiteit van de zon goed bij te houden door bijvoorbeeld naar de flux van kosmische straling te kijken. Bij een zonneminimum zullen er meer atomen in de atmosfeer geïoniseerd worden ten gevolge van de grotere flux aan laag energetische deeltjes die tenslotte fungeren als condensatiekernen voor wolkenvorming. De activiteit van de zon heeft dus invloed op het weer op aarde als ook op onze graanproductie [8]. Bovendien kan bij extreem hoge stroom van ioniserende deeltjes afkomstig van de zon grote gebieden zonder elektriciteit worden gezet, zoals bijvoorbeeld Québec overkwam op 13 maart 1989 [9]. Ons leven op aarde is meer afhankelijk van de kosmische straling dan we op het eerste zicht zouden denken en dat maakt het belang van dit soort experimenten duidelijk.
 

Toekomst

Het bestaan en het mechanisme van de deeltjescascades met kosmische oorsprong is reeds honderd jaar gekend. Het belang van dit soort experimenten ligt erin om door dit op regelmatige basis te herhalen een beeld te kunnen vormen van de veranderingen in de zonneactiviteit en in welke mate het aardmagnetisch veld ons in België hiervoor beschermt. De HACORD-vlucht van 27 maart 2014 betekent in dat opzicht het startsein voor toekomstige ballonvluchten.