Hvorfor er kosmisk stråling farlig?

Hej Spørg om Fysik

Hvorfor er kosmisk stråling farlig?

Kosmisk stråling er stråling, som kommer ude fra universet. Det falder ind under det man kalder ioniserende stråling, fordi det kan ionisere de stoffer, det går igennem herunder specielt luft.

Al ioniserende stråling er farlig i en eller anden grad, som afhænger af energien og arten af strålingen. Størsteparten af den kosmiske stråling er partikler, kun ca. 0,1 % er gammastråling med energier op til 10¹⁴ eV eller ca. 1,6*10^-5 J. 1 elektronvolt er den bevægelsesenergi en elektron får, ved at gennemløbe et spændingsfald på 1 V (i vakuum). Det bliver 1,6*10^-19 joule. Til sammenligning har gammastrålingen fra ⁶⁰Co, som anvendes til strålebehandling, en energi på 1,2*10⁶ eV (1,2 MeV), så den kosmiske gammastråling er altså op til 100 millioner gange mere energirigt.  

Partiklerne er for ca. 99 % vedkommende atomer, fra hele det periodiske system, men normalt strippet for deres elektroner altså helt ioniserede. 1 % er enkeltelektroner. Omkring 90 % af atomerne er protoner dvs. hydrogenkerner. Energierne der er observeret er op til 3*10²⁰ eV altså 40 millioner gange den energi den store accelerator i CERN, som er verdens kraftigste, kan præstere.

Solvinden. Solen udsender partikler fra den varme overflade, hvor en del får hastighed stor nok til at undslippe solens tiltrækningskraft, solens undslippelses hastighed er 618 km/s. Der slipper omkring 1,3*10³⁶ partikler ud pr. sek. eller sagt på en anden måde ca. 1 milliard kg pr. sek. De fleste af de partikler, som når til jorden, har energier imellem 1 og 10 keV.

Her på jorden beskyttes vi stort set imod denne stråling af 2 ting, lufthavet omkring os og jordens magnetfelt. Luften beskytter os ved at stoppe partiler ved sammenstød, før de når ned til jordoverfladen. Samtidigt ioniseres luften. Magnetfeltet, som når meget langt ud i rummet, kan selv om det er svagt, afbøje de ioniserede partikler.

Partiklerne kommer så til at bevæge sig i spiraler omkring de magnetiske kraftlinjer, som går imellem polerne, og som bliver tættere og tættere ved polerne. Her reflekteres de tilbage og kommer altså til at svinge frem og tilbage fra pol til pol, hvor de på grund af sammenstød med luftmolekyler efterhånden mister energi. Det er de områder i rummet, som kaldes van Allen bælterne, som ligger i flere områder fra 1 000 km over jordoverfladen til 60 000 km, man finder disse svingende partikler. De fleste af partiklerne kommer fra solvinden, men resten fra det resterende univers.

I det ydre bælte finder man partikler med energier op til 10 MeV i det indre bælte op til 100 MeV. Antal partikler er ved ækvator imellem 10⁴ og 10⁹ partikler pr. kvadratcentimeter pr. sek.

Apolloprogrammet, hvor mennesker blev sendt til månen, havde valgt baner så opholdene i bælterne blev kortvarigt i ikke for høje intensiteter, og astronauterne fik stråling, der er indenfor de grænser man tillader for personer, som arbejder med stråling (det er en del mere end befolkningen som helhed tilstræbes at være under). Strålingen er et problem for en lang række rumfartøjer, hvor elektronikken må sikres imod strålingen på forskellig måde. Det gøres med bl.a. passende skærmning med metal i centimeter tykkelser. Et rumfartøj, der har en elliptisk bane så den skiftevis kommer udenfor og indenfor bælterne, vil få strålingsmængder, der er 5 gange den for mennesker dødelige dosis pr. år. Den internationale rumstation er placeret under bælterne.

Skadevirkningen af bestråling måles i en enhed, som hedder sieverts (Sv). 1 Sv er 1 joule/kg, der er desværre meget forskel på strålingens skadevirkning, man kalder det kvalitetsfaktoren, den kan varierer fra en faktor 1 (f.eks. røntgen og gammastråling), 5 (protoner), 10 (neutroner) 20 (alfapartikler og andre flerladede partikler). Her nær jorden bidrager den kosmiske stråling med til samlede stråling her i Danmark,

Tilbage står problemet, hvorfor er stråling farlig. Stråling som alfastråling, som er heliumkerner, stoppes normalt af den døde overhud, og når ikke det levende væv. Indtager man det derimod (indånder, spiser- eller drikker) er de radioaktive stoffer farlige, fordi de så sidder og bestråler de levende celler, der ligger nær dem. Størsteparten af betastråling når under fra 1 – 10 mm ind, og rammer altså i de fleste tilfælde ikke vitale organer men levende celler og kan beskadige dem. Gammastråling og røntgenstråling vil for en dels vedkommende gå igennem et menneske uden at skabe skader, men der vil altid være nogen skader fra dele af strålingen, for de dele af strålingen som stoppes af levende celler

Den kosmiske stråling giver ca. 0,03 µSv pr. time ved havoverfladen, 0,1 µSv pr. time i 2 km højde, 0,2 µSv pr. time i 4 km højde, 5 µSv pr. time i 12 km højde (den normalt største flyvehøjde for trafikfly), 13 µSv pr. time i 20 km højde. Danskere får årligt i gennemsnit i størrelsesorden 4 mSv, som middeldosis (her er ikke indregnet strålebehandling og større røntgenundersøgelser). Af dette er ca. 0,3 mSv fra kosmisk stråling, resten er fra radon i huse (2 mSv), fødevarer (0,37 mSv), gammastråling fra omgivelser (0,32 mSv) og almindelig medicinsk behandling (1 mSv). Som det ses er Radon i huse meget interessant fordi det er et stort bidrag til strålingen. Radonnen kommer fra radioaktive stoffer f.eks. uran i vores jord, en villahave har ca. 1 kg uran fordelt i de øverste 10 vm af jorden. Noget af strålingen er efterladenskaber fra atmosfæriske atomprøvesprængninger i midten af forrige århundrede og Tjernobyl (her ca. 0,023 mSv/år), men der har også været andre uheld i atomindustrien.

Hvordan skader stråling? Strålingen kan foretage en række kemiske ændringer i cellerne, idet den afsætter energi og f.eks. ioniserer nogen af molekylerne. Partikelstråling spreder ioner til alle sider (det var det med ioniserende stråling, den energirige stråling producerer ofte mange ioner pr. mm vej), når de kommer ind i vores væv, så der er ofte titusindvis af ioner, som fordeles rundt i vævet fra bare en hurtig partikel. Der kan dannes frie radikaler (som stort set er et molekyle, som er delvist slået i stykker), som har meget stor reaktionsevne og kan fremkalde processer i cellerne, som er skadelige.

En celle har en cellemembran udenom, som har flere mekanismer til transport af næringsstoffer og ioner fra og til omgivelserne. Inde i cellen ligger en række organer, som man kalder organeller. Beskadiges cellemembranen eller de transportmekanismer, den er udstyret med eller beskadiges organellerne, vil cellen ofte dø. Cellen indeholder yderligere vore kromosomer, DNA molekyler i cellekernen, som er bestemt af vore arveegenskaber, og som hvis cellekernen beskadiges, giver kraftige virkninger for cellen, og som derfor er den mest sårbare del af cellen ved bestråling. Vi rammes i naturen af i størrelsesorden 1 million ion par pr. sek. og vi har derfor igennem vores udvikling, fået indbygget en række reparationsredskaber, men slutproduktet efter bestråling kan godt være en celle med andre egenskaber end den oprindelige havde altså en mutation.

Kroppen vil normalt søge og ofte kunne foretage reparationer, men ved store doser kan reparationssystemet ikke nødvendigvis følge med, ved meget store doser vil centralnervesystemet svigte ret hurtigt og individet dør (timer/døgn), ved noget mindre dosis vil vore fordøjelsesorganer svigte på få døgn, overlevelsestid størrelsesorden måske måneder, individet dør normalt, ved endnu mindre doser vil knoglemarven blive påvirket (kræft) selv forholdsvis moderate doser kan fremkalde kræft, og individet kan afgå ved døden efter tider i størrelsesorden år. Overlevelsestid og mulighed afhænger bl.a. eventuelle hospitalsbehandlings-muligheder.

Ioniserende stråling er altså farlig, kan fremkalde sygdomme herunder kræft og i tilfælde af store doser drøbe individet.

Som fodnote: på Mars er der stort set ingen magnetfelt og kun meget lidt luft, næsten vacuum, så strålingen kan blive det væsentlige problem for at overleve såvel under turen i rummet som på Mars, hvis vi sender astronauter derop (turen retur er realistisk nok omkring 32 måneder, bl. På grund af rejsetiden og fordi Mars og Jorden skal stå i den rigtige stilling i forhold til hinanden, for at optimere rejsetid og brændstofforbrug). Der er antageligt meget lang tids arbejde, før mennesket bare kan rejse til planeterne, skal vi til andre solsystemer, skal der gøres utroligt mange gode ideer og opdagelser først.

Med venlig hilsen
Malte Olsen