Nr. 6-2011 Kosmiske partikler og skykim

Fag: Fysik A/B

Udarbejdet af: Michael Bjerring Christiansen, Århus Statsgymnasium, december 2011

Spørgsmål til artiklen

1. Hvad er den vigtigste kilde til de kosmiske partikler, der rammer Jorden?

2. Hvad er en aerosol, og hvad kendetegner de to typer aerosoler, der findes?

3. Hvor stor en procentdel af den baggrundsstråling, en gennemsnitsdansker udsættes for, er af kosmisk oprindelse?

4. Hvilke mekanismer kan være med til at sikre, at en klynge af partikler når op på den kritiske størrelse?

5. Hvor stor er en typisk skydråbe i henholdvis mikrometer (μm), millimeter (mm) og sammen-lignet med en typisk regndråbe?

6. Hvilken betydning har aerosolerne på Jordens klima?

7. Lav selv skyer med røgpartikler som aerosoler (se billedet herunder for det nødvendige udstyr). Kom en smule vand i en blød plastflaske, tænd en tændstik og lad den falde ned i flasken. Skru hurtigt låget på, klem flasken hårdt sammen og ryst den lidt, løsn grebet om flasken og iagttag hvordan skyen/tågen dannes i flasken. Forklar, kort hvad der sker. (Hjælp: klik på dette link og se videoen. Søg eventuelt også på YouTube og find andre videoer, der forklarer fænomenet. Søgeord: cloud bottle.)

Uddybende opgaver og spørgsmål

Udstyr til selv at lave skyer i en flaske. Illustration af partikelbyge (fra artiklen).

8. Udfyld de to tomme rækker i tabellen herover. (Værdierne for antipartiklerne fås blot ved at skifte fortegnet på værdierne for den tilsvarende partikel.)

9. Protonens reaktion med en kerne kan eksempelvis skrives som . Her er den samlede elektriske ladning før og efter reaktionen lig med 8 og derfor bevaret. Tilsvarende er det samlede baryontal før og efter reaktionen lig med 15. Alle de indgående partiklers leptontal er lig med nul, og derfor er hvert af de tre leptontal også bevaret.
015714711ππNNp

Opskriv tilsvarende reaktionsskemaer for de øvrige reaktioner på figuren med partikelbygen og vis, at alle de størrelser, som skal være bevaret, virkelig er det.

10. Tauonen er ligesom myonen ustabil. Begge partikler betragtes som tungere udgaver af elektronen. Hvilke af fire nedenstående henfald for tauonen er mulige (energien og bevægelsesmængden er bevaret i alle fire reaktioner), argumentér for dine svar.
a.
ee
b.
e
c.

d.
e

11. Beregn den maximale energi i joule, de kosmiske partikler har, på baggrund af figuren der viser antallet af ankommende kosmiske partikler som funktion af deres energi i elektronvolt. Hvor hurtigt skal en tennisbold, der vejer 60 g, bevæge sig, for at den har samme kinetiske energi som de mest energirige kosmiske partikler?

12. Antag, at et vandmolekyle har form som en terning (det viser sig i praksis at være en fornuftig antagelse) og beregn ud fra vands densitet på 998 kg/m3 ved 20 ºC og massen af et vandmolekyle 18,02 u (1 u=1,66·10-27 kg) sidelængden af terningen og dermed størrelsen af et vandmolekyle.

13. Sammenlign det fundne tal i det foregående spørgsmål med oplysningen om ionernes størrelse, som kan findes i artiklens figur, der skematisk viser dannelsen af kondensationskerner. Kan den dannede ion komme fra et vandmolekyle, der ioniseres af en kosmisk partikel?

14. Vurdér ud fra oplysningerne i samme figur, hvor mange molekyler henholdsvis en kritisk klynge og en sky-kondensationskerne indeholder. Redegør for dine antagelser.

15. Tanken, som forskernes eksperiment blev lavet i, er cylinderformet med en længde på 1 meter og et volumen på 50 L. Beregn rørets diameter og forklar hvorfor eksperimentet i Aarhus ikke er nok til afgøre i hvilket omfang, de dannede aerosoler har betydning for skydannelsen?

16. Hvor lang tid gik der mellem hvert forsøg, og hvor mange timer forløb hele eksperimentet over?

17. Undersøg, om der er en lineær sammenhæng mellem ionkoncentrationen (x-aksen) og nukleationsraten for aerosolerne (y-aksen).

18. Hvad er nukleationsraten, hvis ionkoncentrationen er nul i denne model? Prøv at forklare hvorfor nukleationsraten ikke – som måske forventet – er nul når ionkoncentrationen er nul. (Hjælp: Overvej, om der kunne være andre ting tilstede i den syntetiske luft, som kunne give anledning til nukleation.)

19. Hvad bliver nukleationsraten, hvis ionkoncentrationen er 25000 cm-3 og hvad skal ion-koncentrationen være, hvis nukleationsraten skal op på 0,5 cm-3·s-1?

20. Undersøg, om ioniseringskilden (elektronbeam eller gammakilde) har nogen betydning for nukleationsraten for aerosolerne.

21. Vis, at der gælder følgende sammenhæng mellem ioniseringsraten P og ionkoncentrationen I: hvor L=1,6·10-6 cm3·s-1 og V=0,0034 s-1. Formlen beskriver ligevægten mellem de nydannede ioner og tabet, som dels skyldes, at de negative og positive ioner
,02PIVIL
neutraliserer hinanden (leddet med L), og dels at ionerne rammer væggene i cylinderen (leddet med V).

22. Ved hvilken ionkoncentration I er de to tabsbidrag lige store, og ved hvilke ionkoncentrationer dominerer tabet til væggene over tabet som følge af neutralisation.

23. Opskriv en formel for ionkoncentrationen I som funktion af P.

24. Hvordan bliver sammenhængen mellem I og P, hvis der ikke er tab til væggene. Det vil sige, hvis V=0?

Perspektiverende opgaver og spørgsmål

25. Vurdér, hvilken betydning de fremtidige eksperimenter, der vil undersøge væksten af de aerosoler, der dannes af den kosmiske stråling, kan få for hele klimadebatten.

26. Gå ind på www.klimadebat.dk , læs lidt af debatten der foregår på hjemmesiden samt de sidste to sider i J. O. P. Pedersens artikel i Kvant fra december 2011 og giv din egen vurdering af om den forskning, der foregår for at afklare de kosmiske partiklers rolle for klimaet, er med til at afspore de politiske forhandlinger, der foregår i forsøget på at reducere den menneskeskabte CO2 udledning.

Til læreren

I Logger Pro kan man godt indtaste svaret på opgave 22, I(P), direkte med L og V som fitteparametre og trække de korrekte værdier ud.

Man kan eventuelt selv lade eleverne eksperimentere med, hvordan man bedst kan danne tågen og lade dem lave en video af det.

Relateret materiale

Der er lavet undervisningsmateriale til flere klimarelaterede artikler i Aktuel Naturvidenskab. Se dette link . Ekstramateriale til denne artikel kan findes her.

Artiklen i Geophysical Research Letters kan findes her.

Jens Olaf Pepke Pedersen, Solaktivitet og klimaændringer, KVANT, nr. 4 december 2011, s. 26-31.

http://www.klimadebat.dk/ er et godt debatsite og indeholder mange gode link relateret til klimadebatten.

Udpluk af videoer fra YouTube om skydannelse:

http://www.youtube.com/watch?v=MBh6TPYH3XU

http://www.youtube.com/watch?v=Z-m04oamJMQ

http://www.youtube.com/watch?v=msSVQ903T8k