Entdeckung der Kosmischen Strahlung

4.3   Schlussfolgerungen

Nimmt man alle beobachteten Messwerte zusammen, ordnet sie nach Höhenstufen und bestimmt den Mittelwert, so erhält man die Tabelle aus Abbildung 4-17. Da die Messungen unter völlig verschiedenen Verhältnissen, was die Tageszeit, die Witterung und weitere Umstände wie schon die erwähnten regelmäßigen und zufälligen Schwankungen der Strahlung betrifft, so mag man sich fragen, ob eine Mittelung der Werte zulässig ist. Jedenfalls hat Hess diesen Schritt unternommen, und wenn man auch auf keinen Fall etwa den endgültigen genauen Verlauf der Intensität der Strahlung mit der relativen Höhe aus der Tabelle lesen kann, so bekommt man doch einen ersten wagen Eindruck der tatsächlichen Gegebenheiten.

Aus der Tabelle können zusammenfassend noch einmal die wichtigsten Schlüsse abgelesen werden. Zunächst nimmt die Strahlung unmittelbar über der Erdoberfläche ab. Die Abnahme liegt bei den drei Apparaten zwischen 0.8 J und 1.4 J, erstreckt sich bis in eine Höhe von etwa 1000 Metern und ist offenbar durch eine Absorption der γ-Strahlung der radioaktiven Elemente der Erde durch die Atmosphäre verursacht. Daraus wäre zu folgern, dass die γ-Strahlung der Erdoberfläche nicht mehr als 3 J zur Gesamtionisation in den Strahlenapparaten beiträgt.

Abbildung 4-18 Strahlungsverlauf in der Atmosphäre

In diesem Diagramm sind die Werte aus Abbildung 4-17 graphisch dargestellt.

Die Zunahme der Strahlungsintensität zwischen 1000 und 2000 Metern macht die Strahlungsminderung durch die atmosphärische Absorption bereits wieder wett, in 4000 bis 5200 Metern Höhe ist die strahlungsbedingte Ionisation relativ zur Erdoberfläche bereits um 15 bis 18 J angewachsen.

Reduziert man die Ergebnisse, die mit den dünnwandigen Apparaten gewonnen wurden, auf normale Dichte, so stellt man, verglichen mit den dickwandigen γ-Strahlen Messapparaten, eine noch deutlichere Zunahme der ionisierenden Wirkung der durchdringenden Strahlung fest. Es hat den Eindruck, als nähme die weichere β-Strahlung bereits ab 500 Metern aufwärts wieder zu, und als ob diese Zunahme viel größer als bei der harten γ-Strahlung sei.

Die wesentliche Frage, zu der all die Experimente und Messergebnisse hinführten, und die sich natürlich auch Hess stellen musste, lautete, wo denn diese an allen drei Apparaten gleichzeitig und übereinstimmend festgestellte, und im Diagramm Abbildung 4?18 dargestellte Zunahme der Strahlung in größeren Höhen herrührte.

Keinesfalls ist dieses Verhalten damit zu erklären, dass allein die radioaktiven Elemente in der Erdkruste für die ionisierenden Strahlen verantwortlich zeichnen. Denn dann könnten auf Grund der Absorption der γ-Strahlung in der Atmosphäre 500 Meter über dem Boden kaum mehr 10 % dieser Strahlung wirksam sein, und die derartig verursachte Leitfähigkeit der Luft müsste mit steigender Höhe schnell gegen null streben.

Eine andere Möglichkeit der Erklärung des seltsamen Verhaltens der durchdringenden Strahlung in der Atmosphäre könnte so gedacht werden, dass ihrerseits radioaktive Zerfallsprodukte, und da vor allem das Zerfallsprodukt des Radiums, nämlich das sehr bewegliche Edelgas Radon, sich in der Atmosphäre verteilen, und so in verschiedenen Höhen zu ganz unterschiedlichen Strahlungsbilanzen führen. Gegen diese Annahme sprechen aber die mit größter Sorgfältigkeit und Ausdauer durchgeführten Messungen von Viktor Hess. Unermüdlich und immer aufs Neue stieg er mit den Freiballonen auf, wodurch es gelang, eine größere Menge an Messergebnissen in verschiedenen Höhen, zu verschiedenen Tages- und Nachtzeiten und bei sehr unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen zu sammeln. Denkbar wären solche Anhäufungen von radioaktiven Elementen, die zu einer solchen Verstärkung der Ionisationsleistung führen könnten, nur regional beschränkt, zum Beispiel in Cumuluswolken, die womöglich durch die Wirkung der radioaktiven Elements als Kondensationskeime entstanden sein mögen, oder in Stabilitätsschichten mit Temperaturinversion. Aber eine derartig gleich- und regelmäßige Zunahme der ionisierenden Strahlung, wie sie von Hess entdeckt wurde, ist auf solch eine Art und Weise sicherlich nicht erklärbar.

Ebenso spricht gegen diese Theorie eine weitere Entdeckung von Hess, nämlich die plötzliche, scheinbar zufällige Schwankung der Intensität der ionisierenden Wirkung der untersuchten Strahlung, die für gewöhnlich auch bei vollkommener Ruhe der Atmosphäre zu beobachten war. Eine derartig große Änderung der Verteilung von Radon in der Atmosphäre ist beim Fehlen jeglicher meteorologischer Veränderung wahrlich nicht denkbar, so Hess.

Die einzige Theorie, die Hess geeignet erschien, dieses Phänomen zu erklären, war eine Theorie, die vor ihm auch schon Theodor Wulf formuliert hatte, zu deren näheren Erforschung Wulf aber die Mittel und Möglichkeiten fehlten.

Hess nahm an, dass eine Strahlung von sehr hoher Durchdringungskraft von oben her in die Atmosphäre der Erde eindringe und auch noch in den untersten Schichten für einen Teil der in geschlossenen Gefäßen erzeugten Ionisation verantwortlich ist. Die Intensität dieser Strahlung scheint zeitlichen Schwankungen unterworfen zu sein, die auch noch in einstündigen Messintervallen feststellbar ist.

Da Hess auch die Gelegenheit wahrnahm, während einer Sonnenfinsternis seine Messungen durchzuführen, und auch bei dieser Gelegenheit keine Abnahme dieser hypothetischen, durchdringenden Strahlung wahrnehmen konnte, so zog er den Schluss, dass diese Strahlung ihren Ursprung auch nicht in der Sonne haben konnte, wenn man dabei von sich geradlinig ausbreitenden Gamma Strahlen ausgehen wollte.

Akzeptiert man dieses Erklärungsmodell, dann hat auch die plötzliche und sehr starke Zunahme der Ionisationswirkung der Strahlung ab etwa 4000 Metern nichts Überraschendes mehr. Da es sich, wie angenommen, um eine sehr harte γ-Strahlung handeln würde, müsste ihre Intensität gemäß der Absorption in der Atmosphäre einer Exponentialkurve folgen, was eine weitere starke Zunahme in höheren Schichten der Atmosphäre erwarten ließe. In der Nähe der Erde werden die Verhältnisse allerdings komplizierter, da hier noch die Aktivitäten der radioaktiven Elemente der Erdoberfläche und der Radongehalt der Atmosphäre zur Strahlungsbilanz beitragen.

Nun hatten im Vorfeld einige Forscher, darunter Theodor Wulf, Albert Gockel, Simpson, Wright und McLennan einige Experimente angestellt, die zu beweisen schienen, dass die ionisierende Strahlung in unmittelbarer Erdbodennähe ihren Ursprung hauptsächlich in den radioaktiven Elementen des Bodens fände, während Hess jetzt meinte, folgern zu können, dass nur maximal 3 J vom Boden stammten, und der Rest sich aus einer Summe der Wirkungen der hypothetischen, von oben in die Atmosphäre einfallenden, sehr durchdringenden Strahlung und einer Restaktivität des für die Konstruktion der Messapparate verwendeten Materials ergäbe.

Es war nun an Hess, die Widersprüche zwischen seinen und anderer Experimente aufzulösen. Tatsächlich gelang dies Hess leicht, indem er zeigte, dass sich nicht die Ergebnisse der Experimente widersprachen, sondern die Interpretationen:

Man hatte bei Messungen über Wasser und großen Eisflächen übereinstimmend festgestellt, dass schon bei geringen Distanzen zum Festland die Ionisation stark, und zwar um 4 bis 6 J, abnimmt. Der naheliegende Schluss war natürlich, dass die Quelle der Strahlung dann wohl auch zum Großteil der Erdboden ist, da ja die Strahlung zum Großteil verschwand, wenn man sich vom Erdboden entfernte.

Auch hier dachte Hess wieder weiter und konnte, indem er das gesamte Wissen verwendete, das damals über Radioaktivität bestand, auch dieses Phänomen hinreichend erklären. Er wusste bereits, dass γ-Strahlung beim Auftreffen auf Materie eine Sekundärstrahlung erzeugen kann, die im selben Maße zunimmt, wie die Dichte der betroffenen Materie. Diese Sekundärstrahlung ist wiederum durch ihre ionisierende Wirkung nachweisbar. Das bedeutet, dass man mit den Wulf’schen Strahlenapparaten nicht nur die eigentliche Strahlung nachweist, sondern auch die Sekundärstrahlung. Da in der Erdrinde sehr viel höhere Dichten zu finden sind als über dem Wasser, so ist dort auch die Intensität der Sekundärstrahlung viel größer und die gefundene Ionisation viel höher. Somit stehen die früheren Entdeckungen in keinem Widerspruch mehr zu der von Hess konstatierten außerirdischen Strahlung.

Während viele Zeitgenossen von Hess noch nicht von der Existenz einer Strahlung, die vom Kosmos her in die Atmosphäre der Erde eindringen soll, überzeugt waren, machten sich andere sofort daran, dieses neue Phänomen weiter zu untersuchen und womöglich weiter aufzuklären. Der Zugang von Hess zu der von ihm entdeckten Kosmischen Strahlung war über die elektrischen Eigenschaften der Atmosphäre erfolgt. Daher hatte er die Kosmische Strahlung auch vermittels ihrer luftelektrischen Eigenschaften, also ihrer Fähigkeit, die Luftmoleküle zu ionisieren und dadurch die Luft selbst leitfähig zu machen, untersucht. Seine Werkzeuge waren daher Ionisationskammern und Elektrometer. Was er mit diesen Hilfsmitteln über die neue Strahlung herausfinden konnte, war damit im Prinzip schon erreicht. Auch in den Jahren, die folgen sollten, verfolgte Hess sein Ziel weiter, mit immer besser konstruierten Ionisationskammern seiner Entdeckung neue Informationen zu entlocken. Auf seiner Suche stürmte er die Gipfel Europas, um mit seinen Steinkeschen Standardapparaten der Quelle der Kosmischen Strahlung näher und immer näher zu kommen, aber ein Verständnis des Wesens und der Beschaffenheit der Strahlung erreichte er so nicht. Er konnte nur immer und immer wieder aufs Neue zeigen, dass die durch die Strahlung verursachte ionisierende Wirkung immer noch vorhanden war, sonst kam er nicht mehr weiter.

Aber andere verstanden es, die Eigenschaften der Strahlung zu erforschen und in ihren Experimenten nutzbar zu machen, um bedeutende Beiträge zur modernen Physik zu leisten. Zum Teil waren es Mitglieder der von Hess gegründeten Arbeitsgemeinschaft der Höhenstrahlungsforschern. Großteils waren es junge Wissenschafter aus aller Herren Länder über den ganzen Globus verstreut, die das große Potential der Entdeckung von Hess erkannten und verstanden.

Egon von Schweidler schlug vor, die neue Strahlung nach ihrem Entdecker Hess’sche Strahlung zu nennen. Hess hingegen, der aus dem stark verminderten Absorptionsverhalten der neuen Strahlung schloss, dass es sich um eine sehr harte Gamma Strahlung handeln müsse, beharrte auf den Namen Ultra Gamma Strahlung, den er später in Ultrastrahlung umwandelte, um sich letztendlich den Amerikanern anzuschließen, die den Namen Cosmic Rays (Kosmische Strahlung) verwendeten, der von Robert Millikan geprägt worden war. [12]