3. oktober 2015 registrerte et Gulfstream V forskningsjetfly tilhørende National Science Foundation en massiv økning i atmosfærisk stråling mens den fløy over Sør-Atlanteren mellom Antarktis og spissen av Sør-Amerika. I 11 minutter så strålingsdetektoren om bord på at nivåene doblet seg, som om flyet hadde fløyet gjennom en sky av stråling.
Det var ikke den eneste hendelsen. Siden 2013 har luftbårne detektorer registrert 57 lignende strålingsutbrudd, som hver varer mellom ti minutter og en time.
Observasjonene har reist betydelige spørsmål, ikke minst om risikoen for flybesetning og sikker drift av luftbåren elektronikk. Men mest av alt ønsker forskere å vite hva som forårsaker disse strålingsutbruddene.
Stråledose
I dag har vi et svar takket være arbeidet til Kent Tobiska ved Space Environment Technologies i California, og kolleger, som har studert hendelsene og tror de kjenner strålingskilden.
Arbeidet deres reiser viktige spørsmål om sikkerheten til hyppige flybesetninger som flybesetning og hvordan de kan beskyttes mot hendelser som “er analoge med fly som flyr gjennom strålingsskyer,” sier Tobiska og co.
Romforskere har lenge visst at Jorden blir bombardert fra verdensrommet av en jevn strøm av høyenergistråling fra utenfor solsystemet, kalt galaktiske kosmiske stråler, og av mer sporadiske utbrudd fra solen kalt solenergipartikler. Denne strålingen har vanligvis form av høyenergielektroner, protoner og alfapartikler.
Jorden er beskyttet mot disse partiklene av solens magnetfelt, som bremser mye av den innkommende galaktiske strålingen, og av sitt eget magnetfelt høyt over atmosfæren, som kanaliserer ladede partikler mot polene.
Imidlertid kommer høyenergipartikler fortsatt gjennom til den øvre atmosfæren ved omtrent 100 km hvor de kolliderer med oksygen- og nitrogenatomer og skaper elektroner og fotoner med lavere energi som fosser inn i den nedre atmosfæren i kjedereaksjoner. Disse kaskadene når en maksimal intensitet i høyder på omtrent 20 km, men absorberes jevnt og trutt i lavere høyder av den tykkere atmosfæren.
Kommersielle fly opererer i høyder opp til ca. 10 km og opplever derfor en høyere dose av denne strålingen enn på bakken. Bekymringen er at denne typen stråling kan ionisere atomer og rive fra hverandre DNA, noe som potensielt kan forårsake helseproblemer som kreft. Det kan også forstyrre elektroniske instrumenter.
Så enhver ny kilde til ioniserende stråling er en betydelig bekymring.
Selv om stråling er et velkjent problem i store høyder i flere tiår, har det ikke vært noe forsøk på å overvåke den kontinuerlig på global skala. Så i 2012 begynte forskjellige amerikanske byråer å utvikle et sanntids globalt overvåkingssystem for å måle nivåene. Systemet ble kalt programmet Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety (ARMAS), og Tobiskas selskap, Space Environment Technologies, har spilt en nøkkelrolle i det.
Siden den gang har programmet tatt hundretusenvis av strålingsmålinger under 599 flyvninger over hele kloden.
Det ble snart klart at bakgrunnsnivået av stråling ikke er konstant i det hele tatt. I stedet opplevde ulike overvåkingsfly plutselige raske økninger i stråling som ville dø ut relativt raskt.
Tobiska og co fokuserer sin analyse på 57 hendelser av denne typen.
De sammenlignet først strålingsutbruddene med bakgrunnsavlesninger andre steder på planeten for å utelukke muligheten for at en solstorm eller en økning i galaktiske kosmiske stråler hadde skylden. De fant ingen økning i aktivitet andre steder.
Denne strålingen ble tydeligvis generert nærmere hjemmet og bare over små områder. Ut fra flyets hastighet dekker disse strålingsflekkene områder som ikke er større enn 1000 km i diameter.
Å fange den skyldige
Den åpenbare synderen var Jordens Van Allen-strålingsbelter, den delen av magnetosfæren som fanger høyenergiladede partikler og skaper et hav av plasma i stor høyde. Som ethvert annet hav, blir dette plasmaet påvirket av miljøforhold — romværet i form av endringer i solens magnetfelt og ved solstormer.
Dette genererer turbulens og setter opp kraftige plasmabølger. Det er disse plasmabølgene, kalt elektromagnetiske ione-syklotronbølger, som Tobiska og co tror er kilden til strålingsutbruddene.
Det er fordi ladede partikler kan surfe på elektromagnetiske ion-syklotronbølger, og blir enormt akselerert. Eventuelle partikler som slipper ut, gjør det som kraftige utbrudd av høyenergistråling. Faktisk er plasmabølgeakseleratorer en ny teknologi for neste generasjons partikkelkolliderere.
Men utbruddene går bare nedover, mot jordoverflaten, der jordens magnetfelt begynner å peke tilbake mot overflaten. Og dette skjer bare på høye breddegrader. Som det viser seg, er en av egenskapene til de observerte strålingspiggene at de bare forekommer på høye breddegrader.
Teamet fant også at strålingstoppene hadde en tendens til å falle sammen med perioder med turbulent romvær, som fremmer forhold der elektromagnetiske ion-syklotronbølger kan dannes. Det er også mulig å se bevis på disse bølgene fra bakken.
“Bevis peker på [radiation] stråle som produseres i større høyder av innfallende relativistiske elektroner som kommer fra Van Allens strålingsbelter og som er generert av elektromagnetiske ione-syklotronbølger, sier Tobiska og co.
Konsekvensene er betydelige. I løpet av mange år har forskere beregnet bakgrunnsratene for stråling i stor høyde og utarbeidet sikre grenser for tiden flybesetningen bør bruke under disse forholdene. Dette gjør at de kan operere trygt.
Men denne nye strålingskilden truer med å endre disse beregningene, spesielt for de som flyr mer nordlige ruter.
– Nettoeffekten på flybesetning og hyppige flyruter for disse rutene vil være en økning i månedlig og årlig eksponering, noe som kan ha karrierebegrensende helsekonsekvenser, sier Tobiska og co.
Den konklusjonen vil sannsynligvis sende sjokkbølger gjennom luftfartsindustrien. Betydningen av denne ekstra eksponeringen er ennå ikke beregnet, men dette arbeidet må gis høyeste prioritet. I utgangspunktet bør dette utformes for å gi klarhet til de mange menn og kvinner som vil være bekymret for effekten av denne strålingen på helsen deres.
Ref: Økte strålingshendelser oppdaget i kommersielle luftfartshøyder: https://arxiv.org/abs/2209.05599