Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

Transkriptio

1 Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY Eino Valtonen Avaruustutkimuslaboratorio, Fysiikan ja tähtitieteen laitos, Turun yliopisto

2 2

3 Kosminen säde? 3

4 4

5 5

6 Historia 1901: Kaasujen sähkönjohtavuuden tutkiminen Tuntematon ionisoivan säteilyn lähde 1907: Mittaukset elektroskoopilla Eiffel-tornissa Säteilyn oletettiin olevan peräisin maaperästä 6

7 1912: Victor Hess Ilmapallolento 5350 m korkeuteen...hyvin suuren läpäisykyvyn omaava säteily saapuu ilmakehään ylhäältäpäin... Nobelin palkinto

8 1927 Merimatkalla Amsterdamista Jaavalle: kosmisen säteilyn määrän riippuvuus magneettisesta leveysasteesta Störmerin teorian (1904) mukainen tulos Sähköisesti varattuja hiukkasia 1933 Itä-länsi efekti säteilyn määrässä Positiivisesti varattuja hiukkasia 1940 Suurin osa kosmisista hiukkasista protoneja 8

9 1948 Paitsi protoneja (vety-ytimiä) kosmiset säteet sisälsivät myös raskaita atomiytimiä luvuilla Monien alkeishiukkasten löytyminen kosmisista säteistä (ilmakehässä) 9

10 1960-luku Elektroni, röntgensäteily 1970-luku Gamma-astronomia

11 Mitä kosmiset säteet ovat? Hiukkassäteilyä maapallon ulkopuolelta Primaarisäteily Ilmakehään törmäävät hiukkaset (Ekstra-)Galaktinen kosminen säteily Auringon kosminen säteily Anomaalinen kosminen säteily Neutriinot Sekundaarisäteily Ilmakehässä syntyvät hiukkaset Nukleoni (protoni, neutroni) -komponentti Myonikomponentti Sähkömagneettinen komponentti Neutriinot 11

12 Primaarisäteily Alkuaineiden ytimet 98 % Elektronit 2 % Gammasäteily < 0,1 % Ydinkomponentin koostumus Vety-ytimet (protonit) 87 % Heliumytimet (alfahiukkaset) 12 % Heliumia raskaampia ytimiä 1 % Runsaus (Si = 100) Aurinkokunnan koostumus Kosminen säteily Si Hyvin samankaltainen alkuainekoostumus kuin aurinkokunnassa Poikkeuksina alkuaineet, jotka syntyneet kosmisen säteilyn ja tähtien välisen aineen törmäyksissä

13 Kosmiset energiat Vuo (m 2 sr s GeV) -1 Auringon aktiivisuus vaikuttaa 1 hiukkanen per m 2 s Ilmapallot & satelliitit laajat ilmakuurot Galaktisen kosmisen säteilyn energiajakauma 1 hiukkanen per m 2 vuosi Polvi 2. polvi (?) Kaksi polvea? Kyseessä ei liene ihmisen jalka. Ehkä ötökän jalka? 1 hiukkanen per km 2 vuosi Nilkka Jalkaterä (?) Varpaat (?) 13 LHC Energia (ev) V.A. Naumov

14 (Ekstra-)Galaktinen kosminen säteily Alkuperä Todennäköisesti sekoitus eri lähteistä, mutta täsmällisesti alkuperää ei tiedetä Supernovaräjähdykset Pulsarit Aktiivisten galaksien ytimet (Mikro)kvasaarit Alkuräjähdyksessä syntyneiden superraskaiden hiukkasten hajoaminen Kiihdytysmekanismit Sokkikiihdytys Onglemana suurimmat energiat Vuon ylläpitäminen vaatii Auringon tehon Säteilyn määrä Sama kaikista suunnista (paitsi suurimmat energiat) Ajasta riippumaton (paitsi pienimmät energiat) Galaktisen kosmisen säteilyn ikä 3-20 miljoonaa vuotta 14

15

16 Auringon kosmiset säteet Ensimmäinen havainto helmikuun Liittyy Auringon aktiivisten alueiden purkauksiin Soihtu(=roihu)purkaukset (flare) Koronan massapurkaukset

17 Koostumus Ydinkomponentti Elektronit Voimakkaasti vaihteleva Protoni-helium suhde Heliumin isotooppien suhteet Energia-alue 10 GeV Sokkikiihdytys Auringon kosmisen säteilyn energia-alue

18 Esiintyminen satunnaista Noudattaa Auringon aktiivisuusjaksoa Yksittäisen purkauksen ajankohta tai voimakkuus ei ennustettavissa Purkausten kesto tunneista päiviin Pelkästään soihtuun liittyvät lyhytaikaisia Maassa havaittava intensiteetti riippuu oleellisesti purkauksen paikasta Auringon pinnalla SOHO/ERNE Auringon aktiivisuus Minimi Maksimi Minimi (?)

19 Magneettikentän vaikutus Galaktinen magneettikenttä Galaktinen kosminen säteily joka suunnasta yhtä voimakasta Merkittävin poikkeus kaikkein suurienergiaisimmat (>10 19 ev) hiukkaset Auringon magneettikentän aiheuttama modulaatio Ulospäin virtaava aurinkotuuli ja sen kantama magneettikenttä estävät ja hidastavat galaktista kosmista säteilyä Suurienergiainen kosmisen säteilyn hiukkanen Aurinkotuulen muodostama onkalo, jossa magneettikenttä Galaktinen kosminen säteily aurinkokunnan ulkopuolella Auringon aiheuttama modulaatio Pienienergiainen kosmisen säteilyn hiukkanen Vainio et al. (2007) 19

20 Suojeleva Aurinko Auringon pilkkujen lukumää äärä Kosmisten säteiden s määm äärä maanpinnalla Maan pinnalla havaittava kosmisen säteilyn määrä vastavaiheessa auringonpilkkujen lukumäärän kanssa 20

21 Maan magnetosfäärissä voimakas magneettikenttä Estää pienienergiaisten sähköisten hiukkasten pääsyn ilmakehään Magneettinen rajajäykkyys Geomagneettinen leveysaste-efekti

22 Kosmiset säteet ilmakehässä Sekundaarisäteily Primaarihiukkanen Ydinvuorovaikutus Hadronikuuro Syntyy primaarisäteilyn hiukkasten törmätessä ilmakehän ytimiin Nukleoni-, myoni- ja sähkömagneettinen komponentti Tserenkov- ja Fluoresenssisäteilyä Maksimi n. 20 km korkeudella Myonikomponentti, neutriinoja Hadronikomponentti Sähkömagneettinen komponentti 100 hiukkasta sekunnissa ihmiskehon läpi 22

23 Erittäin suurienergiaiset primaarihiukkaset aikaansaavat hiukkasvyöryn Syntyy laaja ilmakuuro ev protoni ilmakehässä

24 Kosmisten säteiden havaitseminen Suorat havainnot avaruusinstrumenteilla Auringon hiukkaset Galaktinen kosminen säteily 24 SOHO/ERNE, AMS, ISS 2010

25 Maailmanlaajuinen neutronimonitoriverkosto Sekundaarisäteilyn neutronivuo maanpinnalla Jatkuva rekisteröinti 1950-luvulta lähtien

26 Suurimmat energiat ja vaikeimmin havaittavat hiukkaset vaativat mittavat laitteistot Ilmakuurolaitteistot Neutriinojen havaitseminen 3000 km ilmaisinasemaa 1,5 km:n välein Pierre Auger Observatorio, Argentiina IceCube, Etelänapamanner

27 Ilmakehän Tserenkovin säteilyn ja fluoresenssisäteilyn havaitseminen avaruudesta ISS EUSO, ISS

28 Kosmisten säteiden ilmastovaikutukset Kosmiset säteet saattavat vaikuttaa pilvien muodostumiseen Tilastolliset tulokset ristiriitaisia Viilentävä nettovaikutus Sekä lyhyt- että pitkäaikasiet vaikutukset mahdollisia Yhteys Auringon aktiivisuuteen Auringon aktiivisuuden vaihtelu Ilmasto (Lämpötila) Näennäinen yhteys Modulaatio Galaktinen kosminen säteily Pilvipeitteen määrä Troposfäärin ionisaation määrä 28

29 Kosmisten säteiden vaikutus ihmisen toimintaan Kosmisen säteilyn osuus vuotuisesta kokonais-säteilyannoksesta Säteilyannoksen riippuvuus korkeudesta merenpinnasta 29 Bartlett (2004)

30 Kosmisten säteiden hyödyntäminen Hiili-14 ajoitus Myoniradiografia Toimivien tulivuorten rakenne Ajoneuvojen rajavalvonta Pyramidien salaisten kammioiden paikantaminen 30

31 Loppusanat Kosmiset säteet Ionisoituneiden hiukkasten muodostama relativistinen kaasu, jonka liikettä hallitsee (galaktinen) magneettikenttä Lähde Aurinko Supernovaräjähdykset Aktiivisten galaksien ytimet Energia ev ev ev ev Ilmakehään törmätessään aiheuttavat maanpinnalla havaittavan sekundaarisäteilyn Vuotuinen säteilyannos maanpinnalla alle 10 % kokonaisannoksesta 31

32