110 let od objevu kosmického záření

V roce 1912 objevil rakouský fyzik Victor Franz Hess (1883-1964) kosmické záření, když analyzoval výsledky měření z pilotovaných horkovzdušných balónů, z nichž jeden vyletěl až do výšky 5,3 km. Jeho objev mu v roce 1936 vynesl Nobelovu cenu. Objev navázal na výzkum atmosférické elektřiny a nově objevené radioaktivity, zejména gama záření. Balóny vynesly jednoduché elektrometry a ionizační komory, na tehdejší dobu unikátní přístroje vyvinuté dostupnými výrobními technologiemi v souhře s tehdejším vědeckým pokrokem.

Krátce po objevení radioaktivity Henry Becquerelem v r. 1896 se výzkum zaměřil na schopnost záření ionizovat vzduch. Zakrátko se zjistilo, že vzduch se ionizuje (stane se elektricky vodivým) nejen za přítomnosti zdroje záření, ale i bez něj. V roce 1901 vyslovil skotský fyzik a meteorolog Charles Wilson myšlenku, že záření musí pocházet z mimozemských zdrojů. Brzy následovaly experimenty, které měly teorii ověřit. V r. 1908 německý učitel Karl Bergwitz začal vypouštět balony nad Braunschweigem. Dosáhl však jen výšky 1 300 m a jeho měřicí přístroje přestaly fungovat. Albert Goeckel dosáhl s balonem výšky 4 500 m, ale výsledky nebyly přesvědčivé. Všichni užívali jednoduché zařízení - uzavřený skleněný válec s tyčkou a dvoulístkovým elektrometrem uprostřed.

V roce 1909 Theodor Wulf, jezuitský kněz, navrhl a sestrojil citlivější a lépe přenosný elektrometr. Měřil ionizaci vzduchu na různých místech v Německu, Holandsku a Belgii a dospěl k závěru, že jeho výsledky jsou v souladu s hypotézou, že pronikající záření bylo způsobeno radioaktivními látkami v horních vrstvách zemské kůry. Poté začal měřit změny radioaktivity s výškou, aby ověřil hypotézu: pokud radioaktivita pochází ze Země, měla by s výškou klesat. Vynesl svůj elektroskop na vrchol Eiffelovy věže v roce 1909 a zjistil, že intenzita záření „se snižuje v téměř 300 m ani ne na polovinu své přízemní hodnoty“. To bylo příliš málo na potvrzení jeho hypotézy. Wulf totiž nevěděl, že jeho výsledky jsou zkreslené radioaktivitou obsaženou v kovu Eiffelovy věže.

Start z Ústí nad Labem

Victor Hess se nadchl pro experimenty pomocí balonů. Objednal si u firmy Günther & Tegetmeyer se sídlem v Braunschweigu v Německu další vylepšení Wulfova elektrometru. Tato společnost stavěla přístroje i pro další vědní obory a pro známé badatele a objevitele. Pro Hessovy experimenty bylo nejdůležitější, aby elektrometr pro gama záření byl vzduchotěsný, vodotěsný a dostatečně robustní. Firma ho vyrobila tak dobře, že mohl být použitý i pro měření pod vodou. Hess podnikl 6 neúspěšných letů z Vídně s balony plněnými svítiplynem. Až 7. srpna 1912 se vznesl s balonem Böhmen plněným vodíkem z českého Ústí nad Labem (bylo to průmyslově vyspělé město, které mu mohlo poskytnout dostatek vodíku pro balón) a o 6 hodin později přistál v Pieskowě, 50 km východně od Berlína, když byl mezitím vystoupal až do 5 350 m. Balón nesl dva přístroje pro měření gama záření a jeden pro beta záření. Jasně dokázal, že ionizace do 1 000 m klesá a ve větších výškách zase stoupá. Interpretoval to takto: „Výsledky pozorování se dají nejlépe vysvětlit předpokladem, že záření o velké síle proniká do zemské atmosféry shora a způsobuje ionizaci i v nižších vrstvách atmosféry.“ Nebylo to tehdy vědeckou komunitou akceptováno plně, ale další měření a experimenty to potvrdily. Následovala pak další vylepšení přístroje - lepší stabilita při měnícím se tlaku, oddělení ionizační komory a elektrometru, uzavření do dřevěné schránky, která mohla být kryta stínicími plechy z různých materiálů. Další vylepšení bylo naplnění komory inertním plynem. Stejné zařízení např. použil i Auguste Piccard pro svůj let do výšky 15 781 m v tlakové kabině nesené balonem.

Jak vypadala měřicí zařízení

Jednoduchý bifilární (má dva kovové lístky) elektrometr se používal pro výzkum radioaktivity - vzorek radioaktivní látky se umístil do skleněného válce, zvnějšku se nabil centrální elektroskop a ionizací způsobené změny proudu mezi elektrodou a okolo umístěnou uzemněnou drátěnou síťkou se odečítaly na stupnici. (Obrázek dle Glasglockenapparat of Geitel, 1900, Creative Commons Attribution 3.0) 

Wulfův bifilární elektrometr měl spodní konec kovových vláken (F) připevněný ke křemenné struně (Q), využívající svou pružnost jako odpudivou sílu. Struna byla zakotvena na jantarovém izolátoru (B). Rozšiřování vláken se odečítalo mikroskopem (M). Dva otvory (Na) slouží k vysušování. Wulf zařízení patentoval v r. 1906. (Obrázek Creative Commons Attribution 3.0) 

Z praktických důvodů výrobce změnil schránku na vertikální válec. Byl vyroben z robustní mosazi, ploché strany z tenkého zinkového plechu sloužily jako vstupní okna pro záření. Horní konec kovových lístků (F) byl upevněn na tyčce (D), kterou bylo možno otáčet, aby lístky byly vždy kolmo k pozorovacímu mikroskopu (M). Naproti mikroskopu bylo v úzkém okénku umístěno zrcátko nebo lampa pro osvětlování lístků (B). Originál zařízení je k vidění v Deutsches Museum v Mnichově (Obrázek Creative Commons Attribution 3.0) 

Oslavy sto let od objevu

Na minutu přesně po 100 letech 7. srpna 2012 v 7 hodin 12 minut letního času odstartoval z Prahy – Libuše meteorologický balón se sondou, která vylétla až do výšky 30 km. Sondu odstartoval osobně dr. Grygar. I když sonda po dopadu skončila neslavně pod koly traktoru, získaná zaznamenaná data znovu potvrdila 100 let stará Hessova měření kosmického záření.