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Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Teilchen, meist Protonen, die unter anderem von Supernovae und unserer Sonne stammen, oder?
Auch der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen wie Protonen und Elektronen und kommt natürlich von der Sonne.
Ich frage mich also, ob es einen Zusammenhang zwischen diesen beiden gibt? Ist der Sonnenwind ein Teil der kosmischen Strahlung?
Kosmische Strahlung (die aus hochenergetischen Protonen und Atomkernen besteht) kommt von der Sonne, anderen Sternen, sogar anderen Galaxien.
Sonnenwind ist ein Teil davon - der von der Sonne kommende Teil, der hauptsächlich aus Elektronen, Protonen und Alphateilchen mit einer kinetischen Energie zwischen 0,5 und 10 keV . besteht
Im Allgemeinen lenkt eine hohe Sonnenaktivität die wahrhaft kosmische Strahlung ab oder absorbiert sie. Es gibt einen elfjährigen Zyklus in der Intensität der extrasolaren kosmischen Strahlung, die die Erde erreicht.
Kosmische Sonnenstrahlen
Die Dichte der Spuren schwerer kosmischer Strahlenkerne wurde in einer Reihe von außerirdischen Objekten wie Meteoriten, Mondproben und im Weltraum exponierten künstlichen Materialien gemessen. Diese Beobachtungen sowie die Kenntnis der Teilchenflüsse und Prozesse, die bei der Spurbildung beteiligt sind, haben zu mehreren Betriebskurven für die Produktionsraten von Spuren als Funktion der Tiefe in Meteoroiden mit verschiedenen Radien geführt, wie z. B. das Profil für einen großen Radius Objekt in Abb. 1 . Die Beziehungen für die Reichweiten schwerer Kerne in meteoritischem Material als Funktion ihrer Energie sind bekannt. Die Energiespektren schwerer (Z > 20) Kerne in der galaktischen kosmischen Strahlung wurden von Detektoren auf Satelliten gemessen und aus Spurprofilen in Meteoriten und Mondproben mit einfachen Expositionsgeschichten abgeleitet. Somit werden die Produktionsratenprofile für Spuren von GCR-Kernen ziemlich gut vorhergesagt.
Da die solare kosmische Strahlung von der Sonne nur unregelmäßig emittiert wird, gab es nur wenige Möglichkeiten, ihre Spektren direkt im Weltraum zu beobachten. Ein weiteres Problem ist, dass die niedrigen Energien der schweren SCR-Kerne es schwierig machen, sie mit Instrumenten auf Satelliten zu entdecken. Jedes Ereignis hat seine eigene Energieverteilung für die SCR-Partikel, daher ist es schwierig, das langzeitgemittelte Spektrum schwerer SCR-Kerne zu bestimmen. Mondgesteine mit einfachen Expositionsgeschichten von kurzer Dauer wurden von mehreren Forschungsgruppen verwendet, um das Spektrum von SCR-Kernen mit Z < 20 gemittelt über verschiedene Zeiträume. Das Problem dabei ist, dass die äußersten Oberflächenschichten, in denen die SCR-Kerne Spuren erzeugen, kontinuierlich von Mikrometeoroiden und Sonnenwindionen abgetragen werden. Typische Erosionsraten für Mondgestein liegen in der Größenordnung von einem Millimeter pro Million Jahre. Da die Spuren von SCR-Kernen hauptsächlich im oberen Millimeter vorkommen, hängen die beobachteten Spurdichten sehr nahe der Oberfläche entscheidend von der Erosionsrate ab. Der in Abb. 1 gezeigte Bereich für die Produktionsraten von Spuren in Tiefen von weniger als 0,1 cm spiegelt diese Unsicherheiten bei der Interpretation solcher Profile in Mondgestein oder bei der Messung des Spektrums schwerer SCR-Kerne im Weltraum wider. Wir wissen jedoch, dass die Spuren von schweren Kernen im SCR für Tiefen von weniger als etwa 0,1 cm gegenüber denen von GCR-Kernen dominieren. Obwohl solche oberflächlichen Schichten von Meteoriten durch Ablation entfernt werden, sind wir immer noch sehr an Spuren von SCR-Kernen in Meteoriten interessiert, da sie in Körnern im Inneren eines Meteoriten vorkommen, die einst an der Oberfläche des Mutterkörpers des Meteoriten freigelegt wurden. Ein steiler Gradient der Spurdichten über eine Distanz von deutlich weniger als 0,1 cm ist ein Zeichen dafür, dass die Spuren von SCR-Kernen gebildet wurden.
Neue Studie: Solare & Kosmische Strahlung beeinflusst das Klima stärker als erwartet
Überblick: Es ist seit langem allgemein anerkannt, dass die Sonne für jedes Wetter und Klima hier auf der Erde absolut entscheidend ist, und dennoch gibt es immer noch einige Aspekte dieses Zusammenhangs, die nicht allzu gut verstanden und sogar umstritten sind.
Viele Atmosphärenwissenschaftler glauben beispielsweise, dass kosmische Strahlung, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringt, eine bedeutende Rolle bei der Wolkenbildung spielen kann, die wiederum einen direkten Einfluss auf das Klima hat. Die Sonnenaktivität hat einen direkten Einfluss auf die Fähigkeit der kosmischen Strahlung, die Erdatmosphäre tatsächlich zu erreichen. Eine gerade veröffentlichte Studie hat die Vorstellung bestätigt, dass kosmische Strahlung tatsächlich ein wichtiger Faktor für das Wetter und das Klima der Erde sein kann und die Rolle der Sonne von entscheidender Bedeutung ist.
Kosmische Strahlung und Wolken
Kosmische Strahlung sind Hochgeschwindigkeitsteilchen mit enormer Energie, die die Erde von außerhalb des Sonnensystems bombardieren. Sie werden durch ferne Supernova-Explosionen und andere heftige Ereignisse in Richtung Erde beschleunigt und sind eine wichtige Form des Weltraumwetters. Der genaue Ursprung der kosmischen Strahlung war in der Astronomie lange Zeit ein Rätsel. Kosmische Strahlung kann Schauer von Sekundärteilchen erzeugen, die die Erdatmosphäre durchdringen und auf sie aufprallen und manchmal sogar die Oberfläche erreichen. Der Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und Wolken wurde in den letzten Jahren untersucht und ist etwas umstritten. Einige Forscher glauben, dass kosmische Strahlen, die auf die Atmosphäre der Erde treffen, Aerosole erzeugen, die wiederum Wolken keimen und dadurch bei der Bildung von Wolken helfen. Dies würde die kosmische Strahlung zu einem wichtigen Faktor für Wetter und Klima machen. Andere Forscher waren jedoch zweifelhaft. Die Skeptiker haben behauptet, dass, obwohl einige Laborexperimente die Idee unterstützten, dass kosmische Strahlung dazu beiträgt, Wolken zu säen, der Effekt wahrscheinlich zu gering ist, um die Bewölkung unseres Planeten wesentlich zu beeinflussen und einen wichtigen Einfluss auf das Klima zu haben.
Erkenntnisse aus einer gerade veröffentlichten Studie
Eine neue Studie, die gerade in der Ausgabe vom 19. August veröffentlicht wurde Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik kommt zugunsten der kosmischen Strahlung herunter. Laut spaceweather.com hat ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität Dänemark (DTU) und der Hebräischen Universität Jerusalem einen plötzlichen Rückgang der kosmischen Strahlung mit Veränderungen der Wolkenbedeckung der Erde in Verbindung gebracht. Diese schnellen Abnahmen der beobachteten Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung sind als „Forbush Decreases“ bekannt und treten in der Regel nach koronalen Massenauswürfen (CMEs) in Zeiten hoher Sonnenaktivität auf. Wenn die Sonne aktiv ist (d. h. Sonnenstürme, CMEs), fegt das Magnetfeld des Plasma-Sonnenwinds einen Teil der galaktischen kosmischen Strahlung von der Erde weg. In Zeiten geringer Sonnenaktivität bombardieren mehr kosmische Strahlen die Erde. Der Begriff „Forbush Decrease“ wurde nach dem amerikanischen Physiker Scott E. Forbush benannt, der in den 1930er und 1940er Jahren die kosmische Strahlung untersuchte.
Das Forschungsteam um Jacob Svensmark von der DTU identifizierte die stärksten 26 „Forbush Decreases“ zwischen 1987 und 2007 und untersuchte bodengestützte und satellitengestützte Aufzeichnungen der Wolkenbedeckung, um zu sehen, was passiert ist. In einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung wurden ihre Schlussfolgerungen wie folgt zusammengefasst: “[Starke „Forbush Decreases“] verursachen eine Verringerung des Wolkenanteils um etwa 2 Prozent, was dem Verschwinden von etwa einer Milliarde Tonnen flüssigem Wasser aus der Atmosphäre entspricht
Aktuelle Aktivität der kosmischen Strahlung
Wir befinden uns zufällig in einem schwachen Sonnenzyklus (24), der tatsächlich der schwächste Zyklus seit mehr als hundert Jahren ist. Daher wäre es nicht verwunderlich, dass gerade eine relativ hohe kosmische Strahlung in die Erdatmosphäre eindringt, da wir jetzt auf die nächste solare Minimumphase zusteuern, in der die Sonnenaktivität im Allgemeinen noch leiser ist. Während des Sonnenmaximums sind CMEs reichlich vorhanden und kosmische Strahlung wird in Schach gehalten.
Kosmische Strahlung verursacht globale Temperaturschwankungen, aber keinen Klimawandel
(Phys.org) – Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung, die aus masselosen und beschleunigten geladenen Teilchen besteht, besteht die galaktische kosmische Strahlung (CR) hauptsächlich aus Atomkernen und Einzelelektronen, Objekten mit Masse. Kosmische Strahlung entsteht durch eine Vielzahl von Prozessen und Quellen, darunter Supernovae, galaktische Kerne und Gammastrahlenausbrüche. Forscher haben jahrzehntelang über die möglichen Auswirkungen der galaktischen kosmischen Strahlung auf die unmittelbare Umgebung der Erdatmosphäre spekuliert, aber bis vor kurzem war es schwierig, einen kausalen Zusammenhang zwischen Klima und kosmischer Strahlung herzustellen.
Eine Forschungskooperation hat einen Artikel in der . veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences das mathematisch einen solchen kausalen Zusammenhang zwischen CR und jährlichen Veränderungen der globalen Temperatur herstellt, aber keinen kausalen Zusammenhang zwischen CR und dem Erwärmungstrend des 20. Jahrhunderts gefunden hat.
Kosmische Strahlung und globales Klima verstehen
1911 stellte Charles Thomas Rees Wilson fest, dass ionisierende Strahlung zur Bildung von Wolken in der Atmosphäre führt. Erhöhte Bewölkung in der oberen Troposphäre reduziert die langwellige Strahlung und führt zu wärmeren Temperaturen. Erhöhte Bewölkung in der unteren Troposphäre führt zu einer geringeren einfallenden Strahlung, wodurch die globalen Temperaturen sinken.
Aber der Fluss der kosmischen Strahlung, der mit der Atmosphäre interagiert, wird durch den Sonnenwind und das erdeigene Magnetfeld beeinflusst. Der Sonnenwind, insbesondere in der Region zwischen dem Sonnenende und der Heliopause, wirkt als Barriere für die kosmische Strahlung und verringert den Fluss der kosmischen Strahlung niedriger Energie. Das Magnetfeld der Erde lenkt die kosmische Strahlung in Richtung der Pole ab, was die in bestimmten Breiten beobachteten Polarlichter erzeugt. Daher haben Forscher die Theorie aufgestellt, dass das Ausmaß, in dem kosmische Strahlung das Erdklima beeinflusst, von dieser Kombination von Faktoren abhängt.
Um die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf die globale Temperatur zu untersuchen, verglichen die Forscher zwei Datensätze und entwickelten eine Methode, um ihren kausalen Zusammenhang zu untersuchen. Frühere statistische Analysen zeigten zwar eine Korrelation der Effekte von CR und des Temperaturflusses, waren jedoch nicht in der Lage, eine Kausalität tatsächlich zu begründen. Die Autoren wendeten eine kürzlich entwickelte analytische Methode namens Convergent Cross Mapping (CCM) an, die speziell entwickelt wurde, um Kausalität in nichtlinearen dynamischen Systemen zu messen.
Die von ihnen analysierten Datensätze enthielten einen CR-Proxy namens aa-Index, der die magnetische Aktivität charakterisiert, die aus der Wechselwirkung des Sonnenwinds und des Erdmagnetfelds resultiert. Im Set ergeben ein stärkerer Sonnenwind und stärkere magnetische Störungen einen höheren aa-Index. Sie verglichen es mit dem HadCRUT3-Datensatz des britischen Met Office der globalen Temperatur in der Zeit nach 1900.
CCM hilft, Kausalität von falschen Korrelationen in den Zeitsystemen dynamischer Systeme zu unterscheiden, indem erkannt wird, ob zwei Variablen zu demselben dynamischen System gehören. Beeinflusst die Variable X die Variable Y, ist eine Kausalität begründet – aber nur, wenn Zustände von X aus der Zeitreihe von Y wiederhergestellt werden können. „Einfach ausgedrückt“, schreiben die Autoren, „misst CCM das Ausmaß, in dem die historischen Aufzeichnungen der Betroffenen Variable Y (oder ihre Stellvertreter), schätzt zuverlässig Zustände der kausalen Variablen X (oder ihrer Stellvertreter)."
Bescheidene kosmische Ergebnisse
Das CCM-Verfahren kann sowohl bidirektionale Kausalität (bei der X und Y miteinander gekoppelt sind) als auch unidirektionale Kausalität (bei der X Y beeinflusst, aber Y keinen Einfluss auf X hat) identifizieren. Die Analyse ergab die erwartete unidirektionale Kausalität zwischen der globalen Temperaturänderung und der kosmischen Strahlung – Informationen über die globale Temperatur sind in den Zeitreihen der kosmischen Strahlung nicht vorhanden, aber die Kartierung von der globalen Temperaturänderung zur kosmischen Strahlung war erfolgreich, was darauf hindeutet, dass CR-Informationen tatsächlich aus der Analyse von GT-Schwankungen.
"Unsere Ergebnisse deuten auf eine schwache bis mäßige Kopplung zwischen CR und den jährlichen Veränderungen von GT hin", schreiben sie. "Wir stellen jedoch fest, dass der realisierte Effekt bestenfalls bescheiden und nur wiederherstellbar ist, wenn der säkulare Trend bei GT beseitigt wird." Bei diesem "säkularen Trend" handelt es sich um die Erwärmung, von der allgemein angenommen wird, dass sie durch überschüssigen Kohlenstoff in der Atmosphäre verursacht wird, ein Effekt, den die Forscher durch die erste Differenzierung erklärten. „Wir zeigen konkret, dass CR die säkulare Erwärmung nicht erklären kann, ein Trend, den der Konsens dem anthropogenen Antrieb zuschreibt. Trotzdem bestätigen die Ergebnisse das Vorhandensein eines nicht-traditionellen Antriebs im Klimasystem, ein Effekt, der nach unserem Verständnis ein weiteres interessantes Puzzleteil darstellt.“ von Faktoren, die die Klimavariabilität beeinflussen", schreiben sie.
Abstrakt
Bereits 1959 wurde die Hypothese aufgestellt, dass ein indirekter Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Klima durch Mechanismen vermittelt werden könnte, die den Fluss der galaktischen kosmischen Strahlung (CR) kontrollieren [Ney ER (1959) Natur 183:451–452]. Obwohl der Zusammenhang zwischen CR und Klima nach wie vor umstritten ist, hat die Europäische Organisation für Kernforschung [Duplissy J, et al. (2010) Atmos Chem Physik 10:1635–1647 Kirkby J. et al. (2011) Natur 476(7361):429–433] und anderswo [Svensmark H, Pedersen JOP, Marsh ND, Enghoff MB, Uggerhøj UI (2007) Proc R Soc A 463:385–396 Enghoff MB, Pedersen JOP, Uggerhoj UI, Paling SM, Svensmark H (2011) Geophys Res Lett 38:L09805] und demonstrieren den theoretischen Mechanismus dieser Verbindung. In diesem Artikel präsentieren wir eine Analyse basierend auf konvergenter Kreuzkartierung, die Beobachtungszeitreihendaten verwendet, um den kausalen Zusammenhang zwischen CR und jährlichen Veränderungen der globalen Temperatur direkt zu untersuchen. Trotz einer groben Korrelation finden wir keine messbaren Hinweise auf einen kausalen Effekt, der CR mit dem gesamten Erwärmungstrend des 20. Jahrhunderts in Verbindung bringt. Auf kurzen zwischenjährlichen Zeitskalen finden wir jedoch einen signifikanten, wenn auch bescheidenen kausalen Effekt zwischen CR und der kurzfristigen Variabilität der globalen Temperatur von Jahr zu Jahr, der mit dem Vorhandensein systeminterner Nichtlinearitäten vereinbar ist. Obwohl CR keinen messbaren Beitrag zum globalen Erwärmungstrend des 20. Jahrhunderts leistet, erscheinen sie auf kurzen Zeitskalen zwischen den Jahren jedoch als nicht traditioneller Antrieb im Klimasystem.
Wie "blockiert" das Magnetfeld der Erde die Sonnen- und kosmische Strahlung auf fundamentaler Ebene?
Direkt: Kosmische Strahlung kann aus veränderten Teilchen bestehen. Geladene Teilchen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, erfahren eine Lorenzkraft. Dies kann dazu führen, dass das geladene Teilchen die Erde verfehlt.
Das Erdmagnetfeld bewirkt, dass einige geladene Teilchen in halbstabilen Zuständen über der Atmosphäre existieren. Diese Region, die Magnetosphäre genannt wird, ist ein Bereich von Ionen und nackten Partikeln. Diese in diesem Bereich gefangenen geladenen Teilchen wechselwirken stark mit ankommenden geladenen Teilchen. Diese Wechselwirkung verlangsamt die Teilchen. Dies lenkt laut Azzaman die Partikel ab, sodass sie in den meisten Fällen die Erde verfehlen. Noch wichtiger ist jedoch, dass es diese geladenen Teilchen davor schützt, die ungeladenen Atome der darunter liegenden Atmosphäre wegzureißen. Dadurch würde die Atmosphäre langsam an den Weltraum verloren, da die Atome durch die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind mehr als nur Fluchtgeschwindigkeit gewinnen würden.
Die Atmosphäre, die jetzt davor geschützt ist, von der Erde weggerissen zu werden, ist dann ein erstaunlicher Schild gegen hochenergetische Teilchen. Jedes geladene Teilchen oder Photon trifft dann auf eine Luftwand. Diese Luft ist gleich
10 Meter Wasser. Dies verringert die kosmische Strahlung um einen kritischen Betrag!
1 Antwort 1
Die Richtungen der kosmischen Strahlung sind etwas anisotrop, aber ich denke, nicht genug, um dies zur Abschirmung auszunutzen.
Hier sind die Folien einer Präsentation, die eine beobachtete Anisotropie von etwa $10^<-3>$ zitiert. Hier ist ein Artikel mit einigen Diagrammen, die Daten von IceCube und IceTop verwenden, die wiederum Anisotropien $sim 10^<-3>$ zeigen. Die Suche nach 'kosmischer Strahlanisotropie' wird viele Ergebnisse finden: Ich habe hier gerade ein paar ausgewählt.
Wenn Sie über eine Abschirmung nachdenken, müssen Sie auch berücksichtigen, ob sich das abzuschirmende Objekt jemals in Bezug auf ein Inertialsystem drehen könnte, und damit umgehen, wenn es so ist. Die Chancen stehen gut, wenn es ein Raumschiff ist oder an einem Planeten befestigt ist (aber wenn es an einem Planeten befestigt ist, müssen Sie sich nicht so viele Sorgen machen, dass das Zeug unter Ihnen hervorkommt).
Obwohl diese Ergebnisse für hochenergetische kosmische Strahlung gelten, ist die Isotropie der kosmischen Strahlung niedrigerer Energie tendenziell höher. Das liegt daran, dass ihr Gyroradius mit abnehmender Energie abnimmt, also wird, wo immer sie aus ihrer Richtung starten, im Wesentlichen zufällig. Aus diesen Skripten wird ein Proton mit der Energie $approx 1,mathrm
Beobachtungen der kosmischen Strahlung zeigen, dass die Ankunftsrichtungen relativ isotrop sind und je niedriger die Energie (bis zu $10^<12>,mathrm Mehr als 40 Jahre nach ihrem Start macht die Raumsonde Voyager immer noch Entdeckungen. In einer neuen Studie berichtet ein von der University of Iowa geleitetes Physikerteam über den ersten Nachweis von Ausbrüchen von Elektronen der kosmischen Strahlung, die durch Stoßwellen beschleunigt werden, die von großen Eruptionen auf der Sonne stammen. Die Entdeckung, die von Instrumenten an Bord der Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2 durchgeführt wurde, fand statt, als die Voyagers ihre Reise durch den interstellaren Raum fortsetzten. Damit waren sie das erste Raumschiff, das dieses einzigartige Phänomen im Reich zwischen den Sternen aufzeichnete. Diese neu entdeckten Elektronenexplosionen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, etwa 670-mal schneller als die Stoßwellen, die sie ursprünglich antreiben. Den Ausbrüchen folgten Plasmawellenoszillationen, die durch energieärmere Elektronen verursacht wurden, die Tage später an den Instrumenten der Voyagers ankamen – und schließlich, in einigen Fällen, die Stoßwelle selbst noch einen Monat später. Die Stoßwellen gingen von koronalen Massenauswürfen aus, bei denen es sich um Ausstoß von heißem Gas und Energie handelt, die sich mit etwa 1 Million Meilen pro Stunde von der Sonne nach außen bewegen. Selbst bei dieser Geschwindigkeit dauert es mehr als ein Jahr, bis die Stoßwellen die Raumsonde Voyager erreichen, die weiter von der Sonne entfernt ist (mehr als 24 Milliarden Kilometer und mehr) als jedes andere von Menschenhand geschaffene Objekt. „Was wir hier sehen, ist insbesondere ein bestimmter Mechanismus, bei dem die Stoßwelle, wenn sie zum ersten Mal die interstellaren Magnetfeldlinien berührt, die durch das Raumfahrzeug gehen, einige der Elektronen der kosmischen Strahlung reflektiert und beschleunigt“, sagt Don Gurnett, emeritierter Professor der Abteilung für Physik und Astronomie und der korrespondierende Autor der Studie. „Wir haben durch die Instrumente der kosmischen Strahlung identifiziert, dass es sich um Elektronen handelt, die von interstellaren Schocks reflektiert und beschleunigt wurden, die sich von energiereichen Sonnenereignissen an der Sonne nach außen ausbreiten. Das ist ein neuer Mechanismus.“ Die Entdeckung könnte Physikern helfen, die Dynamik von Stoßwellen und kosmischer Strahlung besser zu verstehen, die von Flare-Sternen (deren Helligkeit aufgrund heftiger Aktivität auf ihrer Oberfläche kurzzeitig variieren kann) und explodierenden Sternen ausgehen. Die Physik solcher Phänomene wäre wichtig, wenn man Astronauten auf ausgedehnte Mond- oder Marsexkursionen schickt, bei denen sie Konzentrationen kosmischer Strahlung ausgesetzt wären, die weit über das hinausgehen, was auf der Erde erlebt werden kann. Die Physiker glauben, dass diese Elektronen im interstellaren Medium von einem verstärkten Magnetfeld am Rand der Stoßwelle reflektiert und anschließend durch die Bewegung der Stoßwelle beschleunigt werden. Die reflektierten Elektronen spiralförmig entlang interstellarer magnetischer Feldlinien und gewinnen mit zunehmender Entfernung zwischen ihnen und dem Schock an Geschwindigkeit. In einem Artikel aus dem Jahr 2014 in der Zeitschrift Astrophysikalische Buchstaben, beschrieben die Physiker J.R. Jokipii und Jozsef Kota theoretisch, wie von Stoßwellen reflektierte Ionen entlang interstellarer Magnetfeldlinien beschleunigt werden könnten. Die aktuelle Studie befasst sich mit Elektronenstößen, die von der Raumsonde Voyager entdeckt wurden und von denen angenommen wird, dass sie durch einen ähnlichen Prozess beschleunigt werden. „Die Idee, dass Stoßwellen Teilchen beschleunigen, ist nicht neu“, sagt Gurnett. „Alles hat damit zu tun, wie es funktioniert, den Mechanismus. Und die Tatsache, dass wir es in einem neuen Reich entdeckt haben – dem interstellaren Medium – das sich stark von dem im Sonnenwind unterscheidet, wo ähnliche Prozesse beobachtet wurden. Niemand hat es mit einer interstellaren Stoßwelle in einem ganz neuen, unberührten Medium gesehen.“ Die Ergebnisse wurden online in der veröffentlicht Astronomisches Journal, in einem Papier mit dem Titel „A Foreshock Model for Interstellar Shocks of Solar Origin: Voyager 1 and 2 Observations“. Co-Autoren sind William Kurth, Wissenschaftler am UI Department of Physics and Astronomy Edward Stone und Alan Cummings vom California Institute of Technology Bryant Heikkila, Nand Lal und Leonard Burlaga vom NASA Goddard Space Flight Center Stamatios Krimigis und Robert Decker voner dem Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University und Norman Ness von der University of Delaware. Die Entdeckung könnte ein neues Licht auf die Mechanismen flammender Sterne werfen. Die beiden Voyager-Sonden der NASA machen weiterhin Entdeckungen im interstellaren Raum. Die Voyager-Mission hat eine neue Art von "Elektronenexplosion" entdeckt, die Einblicke in die Mechanismen von Flackern von Sternen geben wird, berichtet eine neue Studie. Die Ausbrüche treten auf, wenn Elektronen der kosmischen Strahlung – sich schnell bewegende Teilchen von weit jenseits des Sonnensystems – durch Stoßwellen, die durch Sonneneruptionen erzeugt werden, gestoßen werden. Die Elektronen beschleunigen dann weiter entlang der kosmischen Magnetfeldlinien auf eine unglaubliche Geschwindigkeit, sagten die Mitglieder des Studienteams. "Die Idee, dass Stoßwellen Teilchen beschleunigen, ist nicht neu", sagte der korrespondierende Autor Don Gurnett, emeritierter Professor für Physik und Astronomie an der University of Iowa, in einer Erklärung. "[Aber] wir haben es in einem neuen Bereich entdeckt: dem interstellaren Medium, das sich stark von dem im Sonnenwind unterscheidet, wo ähnliche Prozesse beobachtet wurden." Beide Voyager-Raumschiffe sind nach 43 Jahren im Weltraum immer noch stark und senden regelmäßig Wissenschaft von ihren verbleibenden Betriebsinstrumenten zur Erde zurück. (Voyager 2 flog im Jahr 2020 aufgrund geplanter Reparaturen und Aufrüstungen seiner Funkkommunikationseinrichtung hier auf der Erde mehrere Monate lang ohne Kontakt zur Außenwelt, nahm aber im November erneut Kontakt auf.) Die erste Stufe zur Erzeugung der Elektronenexplosionen geschieht mit koronalen Massenauswürfen. Diese Sonneneruptionen sprengen riesige Mengen superheißen Plasmas in den Weltraum und erzeugen Stoßwellen, die sich durch das Sonnensystem nach außen bewegen. Diese Stoßwellen beschleunigen sich schnell bewegende kosmische Elektronen, geladene Teilchen, die wahrscheinlich von weit entfernten Supernovae stammen. Die kosmische Strahlung wird entlang magnetischer Feldlinien zwischen den Sternen im interstellaren Medium weiter beschleunigt. Schließlich treiben die magnetischen Feldlinien die kosmische Strahlung auf fast Lichtgeschwindigkeit – fast 670-mal schneller als die solaren Stoßwellen, die sie zuerst trieben. (Die Stoßwellen bewegen sich mit ungefähr 1 Million mph oder 1,6 Millionen km/h, sagten die Mitglieder des Studienteams.) „Physiker glauben, dass diese Elektronen im interstellaren Medium von einem verstärkten Magnetfeld am Rand der Stoßwelle reflektiert und anschließend durch die Bewegung der Stoßwelle beschleunigt werden“, sagte die Universität von Iowa in derselben Pressemitteilung. "Die reflektierten Elektronen drehen sich dann entlang interstellarer Magnetfeldlinien und gewinnen mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen und dem Schock an Geschwindigkeit." Voyager 1 und Voyager 2 entdeckten beide die Elektronenexplosionen innerhalb von Tagen nach ihrer Beschleunigung, und etwas später entdeckten die beiden Sonden langsamere, energieärmere Plasmawellenoszillationen durch das interstellare Medium, das von den Elektronenstößen erzeugt wurde. Die Zwillingssonde entdeckte auch die entstehende solare Stoßwelle bis zu einem Jahr nach dem Ereignis. Die Wartezeit trat auf, weil die Sonde so weit von der Sonne entfernt war. Voyager 1 ist etwa 22,7 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt, und Voyager 2 ist etwa 18,8 Milliarden Kilometer von unserem Stern entfernt. (Die durchschnittliche Entfernung Erde-Sonne beträgt ungefähr 93 Millionen Meilen oder 150 Millionen km.) Astronomen hoffen, besser verstehen zu können, wie Stoßwellen und kosmische Strahlung von flackernden Sternen entstehen. Sonnenausbrüche können Strahlung erzeugen, die für Astronauten auf der Internationalen Raumstation oder anderen Zielen wie dem Mond (wo die NASA 2024 landen will) Risiken birgt. Die neue Studie wurde am Mittwoch (3. Dezember) im The Astronomical Journal veröffentlicht. Folgen Sie Elizabeth Howell auf Twitter @howellspace. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom und auf Facebook. Henrik Svensmark erwarb 1985 einen Master of Science in Engineering (Cand. Polyt) und einen Ph.D. 1987 vom Physiklabor I der Technischen Universität Dänemark. [5] Henrik Svensmark ist Direktor des Zentrums für Sonnen-Klima-Forschung am Danish Space Research Institute (DSRI), einem Teil des Danish National Space Center. Zuvor leitete er die Sonnen-Klima-Gruppe am DSRI. Er hatte Postdoc-Stellen in Physik an drei anderen Organisationen inne: University of California, Berkeley, Nordic Institute for Theoretical Physics und Niels Bohr Institute. [6] 1997 machten Svensmark und Eigil Friis-Christensen eine Theorie populär, die galaktische kosmische Strahlung und den globalen Klimawandel in Verbindung brachte, der hauptsächlich durch Variationen in der Intensität des Sonnenwinds vermittelt wurde, was sie Kosmoklimatologie nannten. Diese Theorie war zuvor von Dickinson überprüft worden. [7] Einer der mit dieser Verbindung zusammenhängenden Prozesse im kleinen Maßstab wurde in einem Laborexperiment am Danish National Space Center untersucht (in der Verfahren der Royal Society A, 8. Februar 2007). Svensmarks Schlussfolgerungen aus seiner Forschung spielen die Bedeutung der Auswirkungen der vom Menschen verursachten Zunahme des atmosphärischen CO . herunter2 zur jüngsten und historischen globalen Erwärmung, wobei er argumentiert, dass die Rolle der Treibhausgase beim Klimawandel zwar beträchtlich ist, solare Schwankungen jedoch eine größere Rolle spielen. Svensmark hat seine Theorie der Kosmoklimatologie in einem 2007 veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben. [8] Das Zentrum für Sonnen-Klima-Forschung am dänischen Nationalen Weltrauminstitut "untersucht den Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und klimatischen Veränderungen auf der Erde". [9] [10] Die Homepage listet mehrere Veröffentlichungen früherer Arbeiten zur Kosmoklimatologie auf. [11] [12] Svensmark und Nigel Calder haben ein Buch veröffentlicht Die Chilling Stars: Eine neue Theorie des Klimawandels (2007) beschreibt die Theorie der Kosmoklimatologie, dass kosmische Strahlung „mehr Einfluss auf das Klima hat als vom Menschen verursachtes CO .2": "Während der letzten 100 Jahre wurde die kosmische Strahlung knapper, weil viele von ihnen durch ungewöhnlich heftige Einwirkungen der Sonne abgewehrt wurden. Weniger kosmische Strahlung bedeutete weniger Wolken – und eine wärmere Welt." [13] Ein Dokumentarfilm über Svensmarks Theorie, Das Cloud-Geheimnis, wurde von Lars Oxfeldt Mortensen [14] [15] produziert und im Januar 2008 im dänischen Fernsehen 2 uraufgeführt. Im April 2012 veröffentlichte Svensmark eine Erweiterung seiner Theorie in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society [16] In der neuen Arbeit behauptet er, dass die Vielfalt des Lebens auf der Erde in den letzten 500 Millionen Jahren durch die den Meeresspiegel beeinflussende Tektonik zusammen mit Variationen der lokalen Supernova-Rate erklärt werden könnte, und praktisch durch nichts anderes. Dies deutet darauf hin, dass der Fortschritt der Evolution durch Klimaschwankungen in Abhängigkeit vom Fluss der galaktischen kosmischen Strahlung beeinflusst wird. Der Direktor der DTU Space, Prof. Eigil Friis-Christensen, kommentierte: „Als diese Untersuchung der Auswirkungen der kosmischen Strahlung von Supernova-Überresten vor 16 Jahren begann, hätten wir uns nicht vorstellen können, dass sie uns so tief in die Zeit und in so viele Aspekte führen würde.“ der Erdgeschichte. Die Verbindung zur Evolution ist ein Höhepunkt dieser Arbeit." Eine vorläufige experimentelle Überprüfung wurde im SKY-Experiment des Danish National Space Science Center durchgeführt. CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung in Genf, bereitet im CLOUD-Projekt eine umfassende Verifikation vor. Svensmark führte Proof-of-Concept-Experimente im SKY Experiment am Danish National Space Institute durch. [17] Um die Rolle der kosmischen Strahlung bei der Wolkenbildung tief in der Erdatmosphäre zu untersuchen, verwendete das SKY-Experiment natürliche Myonen (schwere Elektronen), die sogar in den Keller des National Space Institute in Kopenhagen eindringen können. Die durch das Experiment bestätigte Hypothese lautet, dass Elektronen, die von den vorbeiziehenden Myonen in die Luft freigesetzt werden, die Bildung von molekularen Clustern fördern, die Bausteine für Wolkenkondensationskerne sind. Kritiker der Hypothese behaupteten, dass erzeugte Partikelcluster nur wenige Nanometer groß seien, während Aerosole typischerweise einen Durchmesser von mindestens 50 nm haben müssten, um als sogenannte Wolkenkondensationskeime zu dienen. Weitere 2013 veröffentlichte Experimente von Svensmark und Mitarbeitern [18] zeigten, dass Aerosole mit einem Durchmesser von mehr als 50 nm durch ultraviolettes Licht (aus Spuren von Ozon, Schwefeldioxid und Wasserdampf) erzeugt werden, das groß genug ist, um als Wolkenkondensationskeime zu dienen . Wissenschaftler bereiten detaillierte atmosphärische Physikexperimente vor, um Svensmarks These zu testen, und bauen auf den dänischen Erkenntnissen auf. CERN startete 2006 ein mehrphasiges Projekt, einschließlich der Wiederholung des dänischen Experiments. CERN plant, einen Beschleuniger zu verwenden, anstatt sich auf natürliche kosmische Strahlung zu verlassen. Das multinationale Projekt des CERN wird Wissenschaftlern eine permanente Einrichtung zur Verfügung stellen, in der sie die Auswirkungen sowohl der kosmischen Strahlung als auch der geladenen Teilchen in der Erdatmosphäre untersuchen können. [19] Das Projekt des CERN trägt den Namen CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets). [20] Das CERN veröffentlichte 2009 einen Fortschrittsbericht zum CLOUD-Projekt. [21] Am 25. August 2011 wurden die ersten Ergebnisse des Experiments veröffentlicht. Sie zeigen, dass Dampfspuren, von denen bisher angenommen wurde, dass sie die Aerosolbildung in der unteren Atmosphäre erklären, nur einen winzigen Bruchteil der beobachteten atmosphärischen Aerosolproduktion erklären können. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Ionisation durch kosmische Strahlung die Aerosolbildung signifikant verbessert. [22] Weitere positive Laborergebnisse wurden 2013 veröffentlicht, wobei die Übertragung dieser Ergebnisse auf die tatsächliche Atmosphäre umstritten blieb. [23] Dunne et al. (2016) haben die wichtigsten Ergebnisse von 10 Jahren der Ergebnisse des CLOUD-Experiments am CERN präsentiert. Sie haben die physikalisch-chemischen Mechanismen und die Kinetik der Aerosolbildung im Detail untersucht. Der im CLOUD-Experiment reproduzierte und auch direkt in der Erdatmosphäre beobachtete Keimbildungsprozess von Wassertröpfchen/Eis-Mikrokristallen aus Wasserdampf beinhaltet nicht nur die Ionenbildung durch kosmische Strahlung, sondern auch eine Reihe komplexer chemischer Reaktionen mit Schwefelsäure, Ammoniak und organische Verbindungen, die durch menschliche Aktivitäten und auf dem Land oder in den Ozeanen lebende Organismen in die Luft emittiert werden (Plankton). [24] Although they observe that a fraction of cloud nuclei is effectively produced by ionisation due to the interaction of cosmic rays with the constituents of Earth atmosphere, this process is insufficient to attribute the present climate modifications to the fluctuations of the cosmic rays intensity modulated by changes in the solar activity and Earth magnetosphere. An early (2003) critique by physicist Peter Laut of Svensmark's theory reanalyzed Svensmark's data and suggested that it does not support a correlation between cosmic rays and global temperature changes it also disputes some of the theoretical bases for the theory. [25] Svensmark replied to the paper, stating that ". nowhere in Peter Laut’s (PL) paper has he been able to explain, where physical data have been handled incorrectly, how the character of my papers are misleading, or where my work does not live up to scientific standards" [26] Mike Lockwood of the UK's Rutherford Appleton Laboratory and Claus Froehlich of the World Radiation Center in Switzerland published a paper in 2007 which concluded that the increase in mean global temperature observed since 1985 correlates so poorly with solar variability that no type of causal mechanism may be ascribed to it, although they accept that there is "considerable evidence" for solar influence on Earth's pre-industrial climate and to some degree also for climate changes in the first half of the 20th century. [27] Svensmark's coauthor Calder responded to the study in an interview with LondonBookReview.com, where he put forth the counterclaim that global temperature has not risen since 1999. [28] Later in 2007, Svensmark and Friis-Christensen brought out a Reply to Lockwood and Fröhlich which concludes that surface air temperature records used by Lockwood and Fröhlich apparently are a poor guide to Sun-driven physical processes, but tropospheric air temperature records do show an impressive negative correlation between cosmic-ray flux and air temperatures up to 2006 if a warming trend, oceanic oscillations and volcanism are removed from the temperature data. They also point out that Lockwood and Fröhlich present their data by using running means of around 10 years, which creates the illusion of a continued temperature rise, whereas all unsmoothed data point to a flattening of the temperature, coincident with the present maxing out of the magnetic activity of the Sun, and which the continued rapid increase in CO2 concentrations seemingly has been unable to overrule. In April 2008, Professor Terry Sloan of Lancaster University published a paper in the journal Environmental Research Letters titled "Testing the proposed causal link between cosmic rays and cloud cover", [29] which found no significant link between cloud cover and cosmic ray intensity in the last 20 years. Svensmark responded by saying "Terry Sloan has simply failed to understand how cosmic rays work on clouds". [30] Dr. Giles Harrison of Reading University, describes the work as important "as it provides an upper limit on the cosmic ray-cloud effect in global satellite cloud data". Harrison studied the effect of cosmic rays in the UK. [31] He states: "Although the statistically significant non-linear cosmic ray effect is small, it will have a considerably larger aggregate effect on longer timescale (e.g. century) climate variations when day-to-day variability averages out". Brian H. Brown (2008) of Sheffield University further found a statistically significant (p<0.05) short term 3% association between Galactic Cosmic Rays (GCR) and low level clouds over 22 years with a 15-hour delay. Long-term changes in cloud cover (> 3 months) and GCR gave correlations of p=0.06. [32] More recently, Laken et al. (2012) [33] found that new high quality satellite data show that the El Niño Southern Oscillation is responsible for most changes in cloud cover at the global and regional levels. They also found that galactic cosmic rays, and total solar irradiance did not have any statistically significant influence on changes in cloud cover. Lockwood (2012) [34] conducted a thorough review of the scientific literature on the "solar influence" on climate. It was found that when this influence is included appropriately into climate models causal climate change claims such as those made by Svensmark are shown to have been exaggerated. Lockwood's review also highlighted the strength of evidence in favor of the solar influence on regional climates. Sloan and Wolfendale (2013) [35] demonstrated that while temperature models showed a small correlation every 22 years, less than 14 percent of global warming since the 1950s could be attributed to cosmic ray rate. The study concluded that the cosmic ray rate did not match the changes in temperature, indicating that it was not a causal relationship. Another 2013 study found, contrary to Svensmark's claims, "no statistically significant correlations between cosmic rays and global albedo or globally averaged cloud height." [36] In 2013, a laboratory study by Svensmark, Pepke and Pedersen published in Physics Letters A showed, that there is in fact a correlation between cosmic rays and the formation of aerosols of the type that seed clouds. Extrapolating from the laboratory to the actual atmosphere, the authors asserted that solar activity is responsible for ca. 50 percent of temperature variation. [23] [37] In a detailed 2013 post on the scientists' blog RealClimate, Rasmus E. Benestad presented arguments for considering Svensmark's claims to be "wildly exaggerated". [38] (Zeit magazine has characterized the main purpose of this blog as a "straightforward presentation of the physical evidence for global warming". [39] ) This is an exciting time to be investigating the origin of life. Just as happened some thirty years ago in the study of the origin of the universe, there are many viable ideas and mechanisms in play, and we could be on the threshold of learning which of them are relevant. We may soon be able to explain, in simple language, how living organisms first appeared on Earth and how they began to evolve. Was it an extremely rare accident, unlikely to be replicated anywhere else we can observe or at the other extreme, are we a minor part of a vast Galactic ecosystem with a panoply of living entities being exchanged by interstellar planets, asteroids, comets, etc. catapulted out of overcrowded neighborhoods? In the language of cosmology, should we be striving to define a “standard model” of our genesis, or do the more interesting questions relate to a “multiverse” of vital locales (ensemble of coexisting biological worlds governed by different processes)? Most researchers have, implicitly, taken a middle course. Life did start autonomously on Earth and elsewhere, possibly including sites within the solar system. If this is essentially correct, then the outcomes are likely to be as diverse as the environments involved. However, at the risk of geochauvinism, there do seem to be identifiable, five common steps along the path: Step 1: relevant organic molecules, the building blocks of life, have to be assembled from simpler ingredients like water, oxygen, carbon dioxide, common minerals and so on. This is surely facilitated by, and may require, heat, light, cosmic rays. Step 2: these small prebiotic units must assemble into larger polymers. This may involve evaporation-rehydration cycling, a mechanism investigated experimentally by David Deamer and collaborators and that seems to work. Step 3: after much random exploration, mechanisms based on molecular recognition allow polymers to copy themselves faster than they can self-assemble. The copying will be error-prone and there will be no coded signal in the sequence of units – a far cry from the efficient machine that is DNA. Step 4: genetic information emerges and enables some additional functions such as making different molecules. We believe that enantioselective mutations in the nucleobase sequences have lead to the emergence of homochirality, and this is the idea we explored in our paper. Step 5: evolution works and increasingly complicated pathways are established, leading to proteins, viruses, cells and beyond. Here also, cosmic radiation acts as a selection pressure term, by determining which organisms are the most able to adapt. What is Life? Erwin Schrödinger’s famous question from 1943 still does not yet have a good answer and, perhaps, we have to be content with knowing it when we see it. One, unmistakable feature of life is that, as Louis Pasteur first recognized, biological molecules make one choice of the two senses of handedness or chirality that, as three-dimensional structures, they can assume. DNA, famously, twists to the right. As they must work together there is one chiral system and sometimes the same molecule can have opposite forms in different functions. In principle, the two chiral systems could co-exist but, in practice, they will compete for resources and it is quite reasonable that one choice prevails. Indeed, this feature is so prevalent that “homochirality” can be used as a signature of life. But, which chirality is chosen? Although many researchers argue that the choice is idiosyncratic and due to chance, there is a long history, going back to Abdus Salam, that associates it with the weak interaction – the one force of fundamental physics that expresses chirality. However, this interaction is called “weak” for a reason and it is hard to see why biology would care about it. So, the scientific challenge is to connect some physics, which we understand rather well, to all of modern biology at a time and place where we have only the sketchiest notion of what was happening. Many researchers argue that homochirality is imposed at the second, prebiotic step before the assembly of long biomolecules. Others see it as being a product of biological evolution at the fifth stage and a consequence, not of fundamental physics but of a local magnetic field or a source of circularly polarized light. Our own background is in cosmic ray physics and our contribution to this long and interesting discussion is to suggest that it is the cosmic rays, mostly relativistic protons that bombard the earth, that impose the handedness through the weak interaction. Now, cosmic rays are known to be important biologically and they are responsible for inducing genetic mutations. At low levels they are beneficial and allow evolution to happen. However, irradiation at high levels, during a reactor accident or on the surface of Mars during a solar flare, can be harmful or even lethal. The secondary particles that cosmic rays produce, specifically muons, are extremely penetrating and will reach essentially all sites where life could have started. They create electrons and positrons, which can carry tiny magnetic moments pointed preferentially in a direction opposite to their velocities. These “polarized” electrons can interact directly with biological molecules and liberate or ionize electrons from them, and this can eventually lead to mutations. The rate at which this happens, during steps three and four, has only a tiny bias, preferring one chiral system over the other. By itself, this bias is inconsequential, but if we combine it with billions, or even trillions, of generations of “living” biomolecules it can be amplified so that only one choice remains. What is exciting right now is that we are poised to learn much more through observation, experiment and theory. We will receive extraterrestrial sample returns over the next few years. If they were to show evidence for life-forms with the alternate chirality, then the ideas we have sketched are surely wrong. Likewise, there is now much more interest in irradiating organic molecules as well as simple organisms with polarized beams of high energy polarized radiation and seeing if there is a bias. In our paper, we show that the trajectories of electrons (or muons) in a biological molecule is affected by the direction of their magnetic moments and this can influence the rate of mutation. The effect is very small, but the difference in the mutation rate between DNA based life and mirror-DNA based life can lead to homochiralization after an evolutionary timescale. Finally, the quantum mechanical interactions of polarized electrons (and muons) with complex molecules is a very promising area of study in theoretical chemistry which can help biologists understand better how mutations happen and when genetic information is modified. There are already interesting findings, for example a spin-selective effect in biology called “Chiral-Induced Spin Selectivity”, reported in 1999 by Naaman and collaborators, and attributed to spin-orbit coupling. The question of "the origin of life" is interdisciplinary research, involving fundamental physics, modern chemistry, astrophysics and biology. If it turns out that homochirality is causally related to the weak interaction and mediated by cosmic irradiation at the mutation level, then there will be a direct and appealing connection between the origin of life and the very early universe, where the bias for matter over antimatter was established. The next few years should be full of surprises!
Raumsonde Voyager entdeckt neuen Typ von Sonnenelektronenstoß
Aus dem interstellaren Raum entdecken Zwillingssonden der Voyager einen "Elektronenausbruch"
SKY-Experiment Bearbeiten
CLOUD-Projektexperimente Bearbeiten
Galactic Cosmic Rays vs Global Temperature Edit
Galactic Cosmic Rays vs Cloud Cover Edit
Debate updates Edit
Life, the Universe and Cosmic Rays
