Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Vejrforhold

På vej fra dannelsen i 15 kilometers højde og ned til HiSPARC-stationerne på landjorden må såvel stråling som partikler fra de kosmiske byger igennem Jordens atmosfære, og bliver derfor påvirket af de atmosfæriske forhold undervejs. Vi ved at ioniserende stråling, hvad enten det er partikler, røntgen- eller gammastråling, dæmpes af den stofmængde som strålingen gennemtrænger. En karakteristisk egenskab ved et stofs evne til at dæmpe forskellige typer stråling er halveringstykkelsen x1/2 og halveringsmassen pr. areal m1/2, som er den stofmængde der skal til for at halvere den indtrængende stråling. Sammenhængen mellem stoffets massefylde ρ, halveringstykkelse og halveringsmasse pr. areal er givet ved:

Når stoffet, som strålingen gennemtrænger, er atmosfærisk luft, afhænger stofmængden i et givet rumfang af trykket og temperaturen af sammenhængen givet ved idealgasligningen:

hvor p er trykket, V volumen, n antal mol, R idealgaskonstanten og T den absolutte temperatur. Som bekendt er atmosfærens tryk og temperatur ikke konstant i tid, så vi måler disse størrelser med hhv. barometer og termometer. Ydermere er tryk og temperatur afhængige af højden over havoverfladen.

Temperatur som funktion af højde
Fra atmosfæremodellen International Standard Atmosfære (ISA) har vi følgende oplysninger: I troposfæren fra havoverfladen og til 11 kilometers højde falder temperaturen med ca. 6.5 Kelvin pr. kilometer. I troposfæren kan vi derfor modellere temperatur som funktion af højde som

hvor h er højde i meter, T0 er temperaturen ved havoverfladen og den adiabatiske temperaturgradient La= - 0.0065 K/m. I tropopausen fra 11 til 20 kilometers højde falder temperaturen ikke yderligere med højden, vi kan altså regne med temperaturen i hele dette højdeinterval er den samme som temperaturen i 11 kilometers højde.

Tryk som funktion af højde
Lufttrykket falder også som funktion af højden:

hvor g er Jordens tyngdeaccelerations, p0er trykket ved havoverfladen og M er molmassen af tør, atmosfærisk luft. Vi kan nu finde antal mol atmosfærisk luft pr. volumen som funktion af højden:

og ved dernæst massefylden ρ som funktion af højden:

I praksis kompliceres modellen dog af at atmosfærisk luft almindeligvis ikke er tør, men har et vandindhold som kan måles med et hygrometer. Vands molmasse er mindre end molmassen af atmosfærisk luft, hvorfor fugtig luft har mindre massefylde end tør luft. Ønsker vi at udregne massefylden af fugtig luft kan det gøres ved hjælp af partialtryk og molarmasser af både atmosfærisk luft og vanddamp:

En yderligere komplikation ved beregninger med fugtig luft er at også dugpunkt og skyhøjde skal inddrages. Ønsker vi at udregne hvor stor luftmasse pr. areal en partikel passerer på sin vej igennem atmosfæren fra højden h' til havoverfladen kan vi finde denne som

Som det fremgår stiger luftmassen pr. areal i takt med barometerstanden. Den barometriske effekt, det forhold at kosmisk stråling ved havoverfladen aftager med barometerstanden kan studeres ved at sammenholde tællinger af kosmisk stråling med lufttrykket.


Massefylde, lufttryk, temperatur og lydhastighed som funktion af højde. Kilde: www.aerospaceweb.org

Skyer
Cumulonimbus-skyer kan indeholde op til 3 gram vand pr. kubikmeter. Giv et overslag over halveringsmassen pr. areal m½ og halveringstykkelsen x½ for en cumulonimbus-sky, og på i hvor høj grad skydække påvirker kosmiske partikler i atmosfæren.

Regn
Find oplysning om hvor mange millimeter nedbør pr. time et kraftigt regnskyl giver, i hvilken højde regnskyer ligger, og hvor hurtigt regndråber falder. Giv et overslag over hvor meget vand der er i en kubikmeter luft under et kraftigt regnvejr, og på i hvor høj grad regn på virker kosmiske partikler i atmosfæren.

Vindstyrke og vindretning
Partikler fra kosmisk stråling bevæger sig med hastigheder nær lyshastigheden. Hvorledes påvirker det partiklerne at luften bevæger sig med vindhastighed og fra forskellige retninger?

Solindstråling og UV-indeks
Overvej om vi kan komme på en fysisk mekanisme som kommer ind i billedet her, findes der f. eks. artikler om emnet på internettet?
Se i øvrigt Fokkema (2012) for yderligere diskussion af kosmisk stråling i atmosfæren, samt en omfattende gennemgang af sammenhænge imellem meteorologiske data og HiSPARC-data hos de Vries (2012).