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Sonnenfinsternis in den USA 2017 XII - Das Höhenstrahlungsexperiment

Bei einer Sonnenfinsternis kann viel schiefgehen. Man weiß nie ob am Ende eine erfolgreiche Beobachtung stehen wird. Daher macht es Sinn sich im Vorfeld einige Experimente zu überlegen, die von den Wetterkapriolen unabhängig sind. 

Victor Franz Hess fand 1912 bei Fahrten mit einem Ballon die Höhenstrahlung. Sie ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und von fernen Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollständig ionisierten Atomen. Auf die äußere Erdatmosphäre treffen etwa 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch Wechselwirkung mit den Gasmolekülen entstehen Teilchenschauer mit einer großen Anzahl von Sekundärteilchen, von denen aber nur ein geringer Teil die Erdoberfläche erreicht. Für die Entdeckung der Kosmischen Strahlung erhielt Hess 1936 den Nobelpreis für Physik.

Die sekundäre, durch Wechselwirkungen mit der Atmosphäre veränderte kosmische Strahlung ist auch im Flugzeug nachweisbar. Die Luftschauer sind horizontal einige Quadratkilometer groß, vertikal aber nur wenige Meter. Sie geben Hinweise auf die Art und Energie der kosmischen Primärteilchen. Der Verlauf ihrer Front lässt auf die Einfallsrichtung schließen. Mit einem einfachen Geigerzähler lässt sich die Einfallsrichtung nicht messen, doch zumindest der Anstieg mit zunehmender Höhe lässt sich gut dokumentieren. 

Bei Spaceweather.com berichtet eine Studentengruppe regelmäßig über ihre Messungen mit Wetterballons

Der von den Studenten gemessene Anstieg in den letzten 2 Jahren könnte auf eine Schrumpfung der Hochatmosphäre in Folge der nachlassenden Sonnenaktivität hindeuten. Der Anstieg erfolgt jedoch  nur in der Stratosphäre. In der Flughöhe von Passagierjets ist keine Kontinuität zu sehen. 

In der Flughöhe von Passagierjets liegt das Pfotzer-Regner-Maximum:
Damit sich Sekundärteilchen bilden können, müssen sie erstmal mit Luftteilchen zusammenstoßen. Deshalb steigt die Strahlung aus dem Weltraum kommend in Richtung Erdboden an. Irgendwann wird die Lufthülle jedoch so dick das die Sekundärteilchen sich zerstreuen und die kosmische Strahlung nimmt wieder ab. Das Maximum dazwischen ist  nach den Stratosphärenforschern  Pfotzer und Regner benannt. 

Gemessen wird die Strahlung in Mikrosievert pro Stunde. Der für die eigenen Messungen verwendete Geigerzähler nutzt ebenfalls diese Maßeinheit.  Daneben wurde zusätzlich ein GPS-Gerät eingepackt. Die heutzutage an den Sitzplätzen verfügbaren Fluginfos geben lediglich eine Höheninformation aus, die auf einem Einheitswert für den Luftdruck basiert und von der realen Höhe eine beträchtliche Abweichung besitzen kann. Daher ist ein eigenes GPS notwendig. Auch das eigene GPS ist in seiner Höheninformation nicht absolut konstant.  Abweichungen von mehr als einigen Dutzend Metern sind jedoch nicht zu erwarten, was für die Messung völlig ausreichend ist. Insgesamt waren bei mehreren Starts Messungen möglich. Einmal beim Hinflug und einmal beim Rückflug. 

Die Flughöhe lag in Deutschland unter 10.000m. Die Werte oberhalb von 2 Mikrosievert sind Messungen, die während des Flugs in der Nähe von Grönland notiert worden sind. Die 4 Werte am Ende zeigen, dass es auch bei konstanter Höhe zu starken Strahlungsschwankungen kommen kann.


Dennoch war die Strahlung bei Grönland nicht ungewöhnlich erhöht. Ähnliche Werte wurden nahe Detroit aufgenommen, was auf dem 44sten Breitengrad liegt.

Die Kombination der Messungen gibt folgendes Bild:

Es scheint lokale Einflüsse zu geben. In Frankfurt (blaue Linie) war der Anstieg am geringsten, während beim Start in Detroit der Anstieg am größten war. Es scheint zeitliche Einflüsse zu geben, die jedoch unabhängig vom Sonnenstand sind. Landung und Start lagen in Detroit 12 Tage auseinander. Die Sonne stand in ähnlicher Höhe, doch rote und grüne Linie zeigen einen deutlichen unterschiedlichen Anstieg. Denkbar wäre ein Zusammenhang mit dem Luftdruck. 

Das Foto zeigt einen Abstand von realer Flughöhe zur Luftdruck-Flughöhe von 331m.  Es wäre plausibel das sich das Pfotzer-Regner-Maximum bei steigenden Luftdruck zusammen mit der Stratosphäre in die Höhe verschiebt.

Wenn man Start und Landung zueinander verschiebt bis die Kurven deckungsgleich sind, ergibt sich für das Pfotzer-Regner-Maximum eine Höhenänderung von 560m nach oben in den 12 Tagen zwischen Start und Landung. Die Landung erfolgte am Vormittag und der Start am Nachmittag. Vielleicht hatte die Erwärmung der Luft durch die Sonne einen Einfluss.



2 weitere Messungen gab es schon 2016 während Starts in Island und London.  

 

Auch hier könnte die Ausdehnung der Lufthülle durch die Sonneneinstrahlung einen Einfluss gehabt haben. Nachweisen läßt sich das nicht, da es selbst bei konstanter Flughöhe rasche Schwankungen geben kann. Am Ende der Island-Kurve liegen mehrere Werte bei fast identischer Flughöhe übereinander. Sie wurden in der folgenden Grafik zeitlich aufgelöst. Innerhalb von nur 2 min schwankt bei konstanter Flughöhe die Strahlung um 0,3 Mikrosievert, das sind 10%! Das Flugzeug hat in dieser Zeit seine Position nur um 30km verändert! Es gibt also in großen Höhen auch auf kleinen räumlichen Skalen starke Veränderungen. 

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