宇宙輻射如何被發現？ 香港天文台怎樣測量宇宙射線？
宇宙輻射如何被發現？香港天文台怎樣測量宇宙射線？
謝偉明
2010年9月
何謂宇宙輻射？
宇宙輻射就是來自外太空的一種具有非常大能量的帶電粒子流。其具體的來源，到現在人類還沒有完全了解，所以在這方面，科學界還有一些爭議。
宇宙輻射如何被發現？
從百多年前開始，科學家已經有這方面的測量，不過當時雖然測量到大氣當中有些電離現象，但科學家只覺得這些能量是由地球本身放射出來，而非來自外太空。
到1912年，一位名為Victor Hess 的德國科學家，他親自攜帶儀器登上升氣球，到達5公里的高空，發現儀器上的電流讀數會隨著氣球上升而增大，所以他認定電流應該是由來自地球以外的一種穿透性極强的射線所產生。後來人們就將這種射線稱為「宇宙射線」。而Victor Hess亦因為發現宇宙射線，在1936年獲得諾貝爾物理學獎。
宇宙射線的組成
宇宙射線當中大部份是質子：85%是氫原子核，12%是α粒子，以及小量電子及重原子核等。這些射線會以接近光的速度射向四方八面，部份抵達地球。
宇宙射線對人類的影響
我們要知道，這些帶電粒子能量可能高達一億電子伏特，它們可以干擾細胞的功能，引致疾病，所以對太空人會構成威脅。假若宇宙射線射進太空艙內，也可能會破壞精密的儀器，影響操作。所以每一次的太空任務都需要經過嚴格和認真的規劃。
人類如何面對宇宙輻射？
我們生活在地面上，並不需要採取任何預防宇宙輻射的措施，原因是地球有以下兩個保護我們免受危害的機制：
1. 地球的磁場 - 當宇宙射線接近地球時，磁場上的磁力線就像太極高手，順勢將帶電粒子引導開，令粒子主要集中在人口稀少的南北兩極。從南北兩極出現的「極光」，可以顯示出地球的磁場，發揮了效應 - 當部份帶電粒子進入地球高層大氣(即電離層)，與那裡的原子、分子或氮和氧的離子相互作用，就會在地球高緯度的上空產生紅色、綠色或藍色的光線。這表明，在地球的磁場作用下，南北兩極宇宙射線强度會較高，而接近赤道側較低。
2. 另一個保護機制就是地球的大氣層 -大氣層除了可以吸收大部份的紅外線和紫外線之外，更會與宇宙射線產生相互作用。這些所謂初級射線裡的高能粒子，就會與大氣中的氧或氮等原子核發生碰撞，並轉化成次級射線粒子。
1. 地球的磁場 - 當宇宙射線接近地球時，磁場上的磁力線就像太極高手，順勢將帶電粒子引導開，令粒子主要集中在人口稀少的南北兩極。從南北兩極出現的「極光」，可以顯示出地球的磁場，發揮了效應 - 當部份帶電粒子進入地球高層大氣(即電離層)，與那裡的原子、分子或氮和氧的離子相互作用，就會在地球高緯度的上空產生紅色、綠色或藍色的光線。這表明，在地球的磁場作用下，南北兩極宇宙射線强度會較高，而接近赤道側較低。
2. 另一個保護機制就是地球的大氣層 -大氣層除了可以吸收大部份的紅外線和紫外線之外，更會與宇宙射線產生相互作用。這些所謂初級射線裡的高能粒子，就會與大氣中的氧或氮等原子核發生碰撞，並轉化成次級射線粒子。
圖1︰宇宙射線穿過大氣層後逐漸減弱，最後到達地面
這些次級粒子有足夠的能量產生下一代的粒子，如此這般不斷下去，一級一級的轉化，就會產生一個龐大的粒子簇(或粒子群) 。這些粒子群深入大氣層時，大部份都會被吸收或由於本身的衰變而無法到達地面；而穿越通過大氣層的粒子，接近地面時，能量就進一步減少。
所以說大氣層就像一個緩衝區，阻擋了一些高能粒子，當射線到達地球表面時，其潛在的有害影響已大大減少。
香港天文台怎樣測量宇宙射線？
要在地面測量宇宙射線，最重要的就是盡量減低受到陸地上其他輻射源的影響。所以，為了確保數據精確，在測量時要有幾個要求:
1. 首先要在一個大的淡水湖面來測量，這樣，地殼中放射性物質的電離輻射會被湖水所吸收；
2. 距離岸邊最少1000米，即與山體、泥土及石塊距離較遠；及
3. 水深約6米。
1. 首先要在一個大的淡水湖面來測量，這樣，地殼中放射性物質的電離輻射會被湖水所吸收；
2. 距離岸邊最少1000米，即與山體、泥土及石塊距離較遠；及
3. 水深約6米。
香港天文台在1989年首次測量宇宙射線 (Tsui et al, 1991) 。在香港，比較理想的測量位置是在船灣淡水湖。從2000年開始，天文台每個季度，都會使用水務署的玻璃纖維小船，在湖中心利用高壓電離室(Reuter -Stokes Model RSS-131可攜式環境輻射監測系統)測量因宇宙輻射而引致的伽馬劑量率。測量時間每次約為一小時。
圖2a
圖2b
圖2a和圖2b︰天文台工作人員在船灣淡水湖測量宇宙射線
由於儀器及來自船身機件等物料的成份，以至人類體內的鉀-40都會放射出輻射，因此為了得到更精確的數據，在測量宇宙射線時，我們還會將這些輕微的輻射影響一并減除。該調整數值約為-0.0036每小時微戈。
下圖為2000年至2009年天文台所錄得的宇宙輻射强度時間序列。在這期間內，錄得的平均伽馬劑量率介乎0.029 至 0.038 每小時微戈，而總平均值為 0.033每小時微戈。
圖3︰2000年至2009年天文台錄得的宇宙輻射强度時間序列
參考資料：
[1] Tsui, K.C., M.C. Wong and B.Y. Lee, Field Estimation of Cosmic Contribution to Total External Gamma Radiation in Hong Kong. Technical Report No. 4, Hong Kong Observatory, 1991
[2] 香港環境輻射監測技術報告第 20-23, 25-30 號，香港天文台，2000-2009
[3] UNSCEAR. Sources and Effects of Ionization Radiation. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR 1993 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes. United Nations, New York, 1993
[4] Arnold Wolfendale, Cosmic rays. Essays on Science and technology from the Royal Institution, 2001, Oxford University Press, 1-17
[5] A.G. Fenton, Cosmic Ray Studies Before 1946, Physics Department, University of Tasmania, GPO Box 252-21, Hobart Tasmania 7001
[6] P.K.F. Grieder, Cosmic Rays at Earth, Elsevier Science, 2001
[7] John Kraus, A Strange Radiation from Above , North American AstroPhysical Observatory (NAAPO), Cosmic Search: Issue 5, (Volume 2 Number 1; Winter (Jan., Feb., Mar.) 1980), 20-22
[1] Tsui, K.C., M.C. Wong and B.Y. Lee, Field Estimation of Cosmic Contribution to Total External Gamma Radiation in Hong Kong. Technical Report No. 4, Hong Kong Observatory, 1991
[2] 香港環境輻射監測技術報告第 20-23, 25-30 號，香港天文台，2000-2009
[3] UNSCEAR. Sources and Effects of Ionization Radiation. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR 1993 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes. United Nations, New York, 1993
[4] Arnold Wolfendale, Cosmic rays. Essays on Science and technology from the Royal Institution, 2001, Oxford University Press, 1-17
[5] A.G. Fenton, Cosmic Ray Studies Before 1946, Physics Department, University of Tasmania, GPO Box 252-21, Hobart Tasmania 7001
[6] P.K.F. Grieder, Cosmic Rays at Earth, Elsevier Science, 2001
[7] John Kraus, A Strange Radiation from Above , North American AstroPhysical Observatory (NAAPO), Cosmic Search: Issue 5, (Volume 2 Number 1; Winter (Jan., Feb., Mar.) 1980), 20-22