Luftschauer

Ein Luftschauer ist eine viele Kilometer ausgedehnte „Lawine“ von Elementarteilchen und elektromagnetischer Strahlung, welche in der Erdatmosphäre durch ein Teilchen aus der Kosmischen Strahlung erzeugt wird. Das ursprüngliche (primäre) Teilchen trifft zunächst auf ein Atom der Luft, mit dem es in Wechselwirkung tritt. In Folge dieser Primären Wechselwirkung entstehen weitere Teilchen (Sekundärteilchen), welche wiederum mit den Luftatomen reagieren und weitere Teilchen erzeugen. Die Ausbildung dieser Kaskade regt die Stickstoff-Atome an, welche die Anregungsenerie in Folge als Fluoreszenzlicht abgeben.

Die Teilchenkaskade besteht zum überwiegendem Anteil aus Elektronen, Positronen und Photonen. Die Elektronen und Positronen erzeugen durch Ablenkung im Coulombfeld der Atomkerne und Hüllenelektronen Bremsstrahlung. Das hochenergetische Photon erzeugt durch Paarproduktion wiederum ein Elektron-Positron-Paar. Solange die Energie der Elektronen und Positronen größer als die kritische Energie (ca. 80 MeV) ist, wächst die Zahl der Teilchen im Luftschauer an. Sinkt die mittlere Energie der Elektronen und Positronen unter die kritische Energie, verlieren die Elektronen und Positronen hauptsächlich Energie durch Ionisation der Atome, wobei keine energetischen Photonen mehr erzeugt werden: Die Teilchenkaskade stirbt aus und das Schauermaximum ist erreicht. Die Teilchen des Luftschauers bilden eine nur wenige Meter dicke Schauerfront aus, die lateral zur ursprünglichen Einfallsrichtung des primären Teilchens eine Ausdehnung von etwa 100 m hat.

Luftschauer können mit verschiedenen Methoden nachgewiesen werden:

• Luftschauerfelder: Hierbei werden die geladenen Teilchen und Photonen nachgewiesen. Durch Vermessen der relativen Verzögerung an verschiedenen Punkten der Schauerfront kann die Einfallsrichtung des ursprünglichen Teilchens rekonstruiert werden. Durch Vermessen der Teilchenzahlen lässt sich auf die ursprüngliche Energie des Primärteilchens schließen.
• Luft-Tscherenkow-Detektoren: Die geladenen Teilchen in der Schauerfront bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die nahezu der Lichtgeschwindigkeit in Vakuum entspricht. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in der Erdatmosphäre um etwa 1/1000 kleiner ist als in Vakuum, bewegen sich einige Teilchen mit einer Geschwindigkeit aus, die größer als die des Lichts in Luft ist. Dies führt zu einer kohärenten Polarisation des Mediums entlang der Flugbahn, die als Tscherenkow-Strahlung nachweisbar ist. Das Licht erscheint als bläulicher Blitz mit einer zeitlichen Länge von einigen Milliardstel Sekunden (Nanosekunde). Mit dem menschlichen Auge ist dieser Blitz nicht wahrnehmbar, mit einem entsprechend schnellen Photondetektor jedoch kann Luft-Tscherenkow-Licht nachgewiesen werden.
• Radioantennen: Die Elektronen und Positronen im Luftschauer werden im Erdmagnetfeld leicht abgelenkt, so dass Synchrotronstrahlung emittiert wird. Durch die hohe Dichte an Elektronen in der Schauerfront wird dieser Effekt kohärent verstärkt. Das resultierende Radiosignal ist nachweisbar und lässt sich für die Beobachtung von Luftschauern verwenden.

Ein Teil der kosmischen Strahlung ist für das Polarlicht verantwortlich (ohne Kaskaden, da niedrigere Energie).

Siehe auch

• Teilchenschauer

Weblinks

• Pierre Auger Observatory Experiment zur Untersuchung der Kosmischen Strahlung mit Hilfe von Luftschauern
• COSMUS Animationen von Luftschauern (englisch)