Вблизи Земли продолжает защищать ее магнитное поле - пусть даже ослабленное и без помощи многокилометровой атмосферы. Пролетая в районе полюсов, где поле мало, космонавты сидят в особо защищенном помещении. А для радиационной защиты при полете на Марс пока нет удовлетворительного технического решения.
Решил дополнить исходный ответ по двум причинам:
- в одном месте он содержит неверное утверждение и не содержит верное
- просто для полноты картины (цитаты)
1. В комментариях Сузанна покритиковала ответ - во многом справедливо.
Над магнитными полюсами Земли поле слабеет , как я и утверждал. Да, Сузанна права, что У ПОЛЮСОВ оно особо велико (представьте себе силовые линии: они собираются именно у полюсов). Но на большой высоте НАД ПОЛЮСАМИ оно слабее чем в других местах- по той же самой причине (представьте те же силовые линии: они ушли вниз - к полюсам, а вверху их почти не осталось). Поле как бы проседает.
Но Сузанна права в том, что космонавты МЧС не укрываются в спецпомещении из-за приполярных областей : меня подвела память.
Но все же есть место, над которым спецмеры принимаются (его я и спутал с приполярными областями). Это - над магнитной аномалией в Южной Атлантике . Там магнитное поле настолько "проседает", что радиационный пояс и принимать спецмеры приходится без всяких вспышек на Солнце . Цитату о не связанных с солнечной активностью спецмерах быстро найти не смог, но я о них где-то читал.
Ну и, конечно, стоит упомянуть и сами вспышки : от них тоже укрываются в наиболее защищенном помещении, а не разгуливают в это время по всей станции.
Все солнечные вспышки тщательно отслеживаются и информация о них отправляется в центр управления. В такие периоды космонавты прекращают работу и укрываются в наиболее защищённых отсеках станции. Такими защищёнными сегментами являются отсеки МКС рядом с ёмкостями с водой. Вода задерживает вторичные частицы - нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее.
2. Просто цитаты и допинформация
В некоторых цитатах ниже упоминается доза в Зивертах (Зв). Для ориентировки некоторые цифры и вероятные эффекты из таблицы в
0-0.25 Зв. Нет эффекта, за исключением умеренных изменений в крови
0.25-1 Зв. Радиационные заболевания из 5-10% облучённых людей
7 Зв ~100% летальных исходов
Суточная доза на МКС - около 1 мЗв (см. ниже). Значит, можно без особого риска летать около 200 суток . Важно также, за какой срок набрана одна и та же доза: набранная за короткое время намного опаснее, чем за набранная за длительный срок. Организм - не пассивный объект просто "набирающий" радиационные дефекты: есть у него и "ремонтные" механизмы и с постепенно набираемыми малыми дозами они обычно справляются.
В отсутствие массивного атмосферного слоя, который окружает людей на Земле, космонавты на МКС подвергаются более интенсивному облучению постоянными потоками космических лучей. В день члены экипажа получают дозу радиации в размере около 1 миллизиверта, что примерно равнозначно облучению человека на Земле за год. Это приводит к повышенному риску развития злокачественных опухолей у космонавтов, а также ослаблению иммунной системы.
Как показывают данные, собранные NASA и специалистами из России и Австрии, астронавты на МКС ежедневно получают дозу в 1 миллизиверт. На Земле такую дозу облучения не везде можно получить и за целый год.
Этот уровень, впрочем, ещё относительно терпим. Однако необходимо иметь в виду, что околоземные космические станции находятся под защитой магнитного поля Земли.
За его пределами радиация возрастёт во много раз, следовательно, экспедиции в глубокий космос окажутся невозможными.
Радиация в жилых корпусах и лабораториях МКС и «Мира» возникала вследствие бомбёжки космическими лучами алюминиевой обшивки станции. Быстрые и тяжёлые ионы выбивали из обшивки изрядное количество нейтронов.
В настоящее время на космических кораблях невозможно обеспечить стопроцентную защиту от радиации. Точнее, возможно, но за счёт более чем значительного увеличения массы, а вот это-то как раз и недопустимо
Кроме атмосферы нашей, защитой от радиации является магнитное поле Земли. Первый радиационный пояс Земли находится на высоте порядка 600-700 км. Станция сейчас летает на высоте порядка 400км, что существенно ниже... Защитой от радиации в космосе является (также – ред.) корпус корабля или станции. Чем толще стенки корпуса, тем больше защита. Конечно, стенки не могут быть бесконечно толстыми, потому что существуют весовые ограничения.
Ионизирующий уровень, фоновый уровень радиации на международной космической станции выше, чем на Земле (примерно в 200 раз – ред.), что делает космонавта более подверженным ионизирующему излучению, чем представителей традиционно радиационно-опасных отраслей, таких как атомная энергетика и рентгенодиагностика.
Кроме индивидуальных дозиметров космонавтов на станции есть еще система радиационного контроля. ... По одному датчику расположено в каютах экипажа и по одному датчику в рабочем отсеке малом и большом диаметре. Система работает автономно 24 часа в сутки. ... Таким образом Земля располагает информацией о текущей радиационной обстановке на станции. Система радиационного контроля способна выдавать предупреждающий сигнал «Проверь радиацию!». Если бы это случилось, то на пульте сигнализации систем мы увидели бы загорание транспаранта с сопровождающим звуковым сигналом. За все время существование космической международной станции таких случаев не было.
В... районе Южной Атлантики... радиационные пояса “провисают” над Землей из-за существования глубоко под Землей магнитной аномалии. Космические корабли, летающие над Землей, как бы “чиркают” пояса радиации в течение очень непродолжительного времени... на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.
Магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы... , могут создать большие сложности для полётов космонавтов. Какая доза радиации может быть получена космонавтом в случае прихода солнечных частиц к Земле – во многом воля случая. Эта величина определяется, в основном, двумя факторами: степенью искажения дипольного магнитного поля Земли во время магнитных бурь и параметрами орбиты космического аппарата в течение солнечного события. ... Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.
Одно из наиболее мощных протонных извержений – радиационная буря солнечных извержений, вызвавшая радиационную бурю вблизи Земли, произошло совсем недавно – 20 января 2005 г. Аналогичное по мощности солнечное извержение было 16 лет назад, в октябре 1989 г. Множество протонов с энергиями, превышающими сотни МэВ, достигли магнитосферы Земли. Кстати, такие протоны способны преодолеть защиту толщиной, эквивалентной примерно 11 сантиметрам воды. Скафандр космонавта – тоньше. Биологи считают, что если в это время космонавты оказались бы вне Международной космической станции, то, безусловно, воздействие радиации сказалось бы на здоровье космонавтов. Но они находились внутри неё. Защита МКС достаточно велика, чтобы обезопасить экипаж от неблагоприятного воздействия радиации во многих случаях. Так было и во время данного события. Как показали измерения с помощью радиационных дозиметров, “схваченная” космонавтами доза радиации не превышала той дозы, которую человек получает при обычном рентгеновском обследовании. Космонавты МКС получили 0.01 Гр или ~ 0.01 Зиверт... Правда, столь малые дозы связаны и с тем, что, как об этом написано ранее, станция находилась на “магнитно-защищённых” витках, что может случаться не всегда.
Нил Армстронг (первый астронавт, вступивший на Луну) сообщил на Землю о своих необычных ощущениях во время полёта: порой он наблюдал яркие вспышки в глазах. Иногда их частота достигала около сотни в день... Учёные... пришли к выводу, что ответственны за это … галактические космические лучи. Именно эти частицы высокой энергии, проникая в глазное яблоко, вызывают черенковское свечение при взаимодействии с веществом, из которого состоит глаз. В результате астронавт и видит яркую вспышку. Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо. Эти частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей энергии на единицу пройденного пути, чем их более лёгкие собратья. Именно они и ответственны за генерацию черенковского свечения и возбуждение ретины – чувствительной оболочки глаза.
При дальних космических полётах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полёте на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полёт на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная – суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полёта на Марс, поглощённая доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Её можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия – августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв.
Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удаётся предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперёд период времени.
Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.
Протоны солнечных вспышек несут реальную угрозу космическим экипажам дальних миссий. Взяв вновь в качестве примера вспышку августа 1972 г., можно показать, пересчитав потоки солнечных протонов в дозу радиации, что через 10 часов после начала события, она превысила летальное значение для экипажа космического корабля, если бы он оказался вне корабля на Марсе или, скажем, на Луне.
Здесь уместно вспомнить полёты американскго “Apollo” к Луне в конце 60-х – начале 70-х. В 1972 г., в августе, была такая же по мощности вспышка на Солнце, как и в октябре 1989 г. “Apollo-16” приземлился после своего лунного путешествия в апреле 1972 г., а следующий – “Apollo-17” стартовал в декабре. Повезло экипажу “Apollo-16”? Безусловно, да. Расчёты показывают, будь астронавты “Apollo” в августе 1972 г. на Луне, они бы подверглись облучению с дозой радиации в ~4 Зв. Это – очень много, чтобы спастись. Если… если быстро не возвратиться на Землю для экстренного лечения. Другой вариант – перейти в кабину лунного модуля “Apollo”. Здесь доза радиации уменьшилась бы в 10 раз. Для сравнения скажем, что защита МКС в 3 раза толще, чем лунного модуля “Apollo”.
На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов.
Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз.
В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившеееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом.
Землю от космического излучения защищают атмосфера и магнитное поле. На орбите радиационный фон в сотни раз больше, чем на поверхности Земли. Каждые сутки космонавт получает дозу облучения 0,3-0,8 миллизиверта - примерно в пять раз больше, чем при рентгене грудной клетки. При работе в открытом космосе воздействие радиации оказывается еще на порядок выше. А в моменты мощных солнечных вспышек можно за один день на станции схватить 50-суточную норму. Не дай бог в такое время работать за бортом - за один выход можно выбрать допустимую за всю карьеру дозу, составляющую 1000 миллизивертов. В обычных условиях ее хватило бы года на четыре - столько еще никто не налетал. Причем ущерб здоровью от такого однократного облучения будет значительно выше, чем от растянутого на годы.
И все же низкие околоземные орбиты еще относительно безопасны. Магнитное поле Земли захватывает заряженные частицы солнечного ветра, образуя радиационные пояса. Они имеют форму широкого бублика, окружающего Землю по экватору на высоте от 1000 до 50 000 километров. Максимальная плотность частиц достигается на высотах около 4000 и 16 000 километров. Сколько-нибудь длительная задержка корабля в радиационных поясах представляет серьезную угрозу жизни экипажа. Пересекая их на пути к Луне, американские астронавты за несколько часов рисковали получить дозу 10-20 миллизивертов - как за месяц работы на орбите.
В межпланетных полетах вопрос радиационной защиты экипажа стоит еще острее. Земля экранирует половину жестких космических лучей, а ее магнитосфера почти полностью задерживает поток солнечного ветра. В открытом космосе без дополнительных мер защиты облучение вырастет на порядок. Иногда обсуждается идея отклонять космические частицы сильными магнитными полями, однако на практике ничего, кроме экранирования, пока не отработано. Частицы космического излучения неплохо поглощаются ракетным топливом, что наводит на мысль использовать полные баки как защиту от опасной радиации.
Магнитное поле на полюсах не мало, а наоборот, большое. Просто направлено оно там практически радиально к Земле, что приводит к тому, что захваченные магнитными полями в радиационных поясах частицы солнечного ветра, при определенных условиях двигаются (высыпаются) в направлении Земли у полюсов, вызывая полярные сияния. Это не представляет опасности космонавтам так как траектория МКС проходит ближе к экваториальной зоне. Опасность представляют сильные солнечные вспышки класса М и Х с коронарными выбросами вещества (в основном протоны), направленные к Земле. Именно в этом случае, космонавты применяют дополнительные меры радиационной защиты.
Ответить
ЦИТАТА: "... Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо...."
Объясните неучу пожалуйста - откуда в солнечном ветре (космических лучах, как у вас написано) взялись частицы углерода, кислорода, железа и каким образом они могут попасть в вещество, из которого состоит глаз - через скафандр?
Ответить
Ещё 2 комментария
Объясняю... Солнечный свет - это фотоны (включая гамма-кванты и рентгеновское излучение, являющиеся проникающей радиацией).
Есть еще солнечный ветер. Частицы . Например, электроны, ионы, ядра атомов, летящие от Солнца и из Солнца. Сколь-нибудь тяжелых ядер (тяжелее гелия) там мало, ибо их мало в самом Солнце. Но альфа-частиц (ядер гелия) - много. И, в принципе, может прилететь любое ядро, легче железного (вопрос лишь в количестве прилетающего). Дальше железа синтез на Солнце (тем более вне его) не идет. Поэтому от Солнца может прилететь только железо и что-то полегче (тот же углерод, например).
Космические лучи в узком смысле - это особо высокоскоростные заряженные частицы (и не заряженные, впрочем, тоже), прилетевшие из-за пределов Солнечной системы (в основном). А также - проникающая радиация оттуда же (иногда ее рассматривпют отдельно, не причисляя к "лучам").
Среди прочих частиц космические лучи содержат и ядра каких угодно атомов (в разном количестве, конечно). Сколь-нибудь тяжелые ядра, попав в вещество, ионизируют все на своем пути (а также - в стороне: там вторичная ионизация - уже тем, что вышиблено по дороге). А если у них высокая скорость (и кинетическая энергия), то заниматься этим делом (полетом через вещество и его ионизацей) ядра будут долго и остановятся не скоро. Соответственно, пролетят через что угодно и с пути не свернут - пока не потратят почти всю кинетическую энергию. Даже наткнувшись прямо на другое ядро (а это бывает редко) могут просто отшвырнуть его в сторону, почти не изменив направление своего движения. Или не в сторону, а полетят дальше более-менее в одном направлении.
Представьте автомобиль, который на полном ходу врезался в другой. Разве он остановится? А еще представьте, что скорость у него - многие тысячи километров в час (еще лучше - в секунду!), а прочность позволяет выдержать любой удар. Вот это и есть ядро из космоса.
Космические лучи в широком смысле - это космические лучи в узком, плюс солнечный ветер и проникаюшая радиация от Солнца. (Ну, или без проникающей радиации, если ее рассматривают отдельно).
Со́лнечный ве́тер - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.
Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.
Не следует путать понятия «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до Земли за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток фотонов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд).
Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.
Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).
Косми́ческие лучи́ - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве[
Классификация по происхождению космических лучей:
- вне нашей Галактики
- в Галактике
- на Солнце
- в межпланетном пространстве
Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.
Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.
Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34 % энергии, переносимой остальными частицами.
По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны.
Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы... соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые... Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра.
Ответить
Прокомментировать
Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.
Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.
Источники естественной (природной) радиации - это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.
Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).
Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.
Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.
Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.
Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.
Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв .
Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.
Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:
Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:
1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;
2) галактическое космическое излучение;
3) корпускулярное излучение Солнца.
Излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.
Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.
Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.
Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении - порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.
Взаимодействие с атмосферой . Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.
При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.
Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее - потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.
Космогенные радионуклиды
В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: 3 H (Т 1/2 = 12,35 лет), 14 C (T 1/2 = 5730 лет), 22 Na (T 1/2 = 2,6 лет), - поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.
Солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;
Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.
Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:
Изменений потока галактического излучения,
Активности солнца,
Географической широты,
Высоты над уровнем моря.
В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.
Радионуклиды земной коры.
В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.
Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.
В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.
Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:
Радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),
Другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,
Радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.
В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.
Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.
Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше - это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно - альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:
Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.
Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание 40 К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.
Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.
Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.
Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:
Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).
Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.
В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10 9 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.
Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.
Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).
07.12.2016
Марсоход Curiosity имеет на борту прибор RAD для определения интенсивности радиоактивного облучения. В ходе своего полета к Марсу Curiosity производил замеры радиационного фона, а сегодня об этих результатах рассказали ученые, которые работают с NASA. Поскольку марсоход летел в капсуле, а датчик радиации располагался внутри, то эти замеры практически соответствуют тому радиационному фону, который будет присутствовать в пилотируемом космическом корабле.Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора. RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.
Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.
Эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС.
Шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.
Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта.
Длительность жизни космонавтов ниже, чем средняя в их странах. Не менее четверти смертности приходится на онкологию.
Из 112 летавших российских космонавтов 28 уже нет с нами. Пять человек погибли: Юрий Гагарин - на истребителе, Владимир Комаров, Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев - при возвращении с орбиты на Землю. Василий Лазарев умер от отравления некачественным спиртом.
Из 22 остальных покорителей звездного океана для девяти причиной смерти стала онкология. От рака скончались Анатолий Левченко (47 лет), Юрий Артюхин (68), Лев Демин (72), Владимир Васютин (50), Геннадий Стрекалов (64), Геннадий Сарафанов (63), Константин Феоктистов (83), Виталий Севастьянов (75). Официальная причина смерти еще одного космонавта, умершего от рака, не раскрывается. Для полетов за пределы Земли отбирают самых здоровых, самых крепких.
Итак, девять умерших от рака из 22 космонавтов составляют 40,9%. Теперь обратимся к аналогичной статистике в целом по стране. В прошлом году покинули сей мир 1 млн 768 тысяч 500 россиян (данные Росстата). При этом от внешних причин (транспортных ЧП, отравлений алкоголем, самоубийств, убийств) умерли 173,2 тысячи. Остается 1 млн 595 тысяч 300. Скольких граждан загубила онкология? Ответ: 265,1 тысячи человек. Или 16,6%. Сравним: 40,9 и 16,6%. Выходит, обычные граждане от рака умирают в 2,5 раза реже, чем космонавты.
По отряду астронавтов США аналогичных сведений нет. Но даже отрывочные данные свидетельствуют: онкология косит и американских звездоплавателей. Вот неполный список жертв страшной болезни: Джон Свайгерт-младший - рак костного мозга, Дональд Слейтон - рак мозга, Чарлз Вич - рак мозга, Дэвид Уолкер - рак, Алан Шепард - лейкемия, Джордж Лоу - рак толстой кишки, Рональд Пэриз - опухоль головного мозга.
За один полет на орбиту Земли каждый член экипажа получает такое облучение, как если бы 150–400 раз побывал на обследовании в рентгеновском кабинете.
С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв (годовая допустимая доза для человека на земле), то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.
На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже, чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т. е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь - узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.
Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву - на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами - всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.
Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца - во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.
На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.
Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.
Пики приходятся на солнечные вспышки.
Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.
Возможно, придется собирать межпланетный космический корабль на орбите вокруг Земли - навешивать тяжелые свинцовые пластины для защиты от радиации. Или использовать для сборки Луну, где вес космолета будет ниже.
Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида, который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.
Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR. Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно - понадобится реактор.
Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.
Но такая простота вызывает и сложности - тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.
Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.
Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.
Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам.
В первую очередь - повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон - существенно шире, т. к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.
Затем - стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва - ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.
И наконец - если микросхема для космоса - стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации.
Как же влияет радиация на микросхемы?
В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов dодорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая Cолнце), ядра галактик, Млечный путь - обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце - радиация от солнца увеличивается в 1000-1000000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).
Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине - свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.
Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц - так называемые радиационные : на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия - где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200 км.
Электроны, гамма и рентгеновское излучение.
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему - в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов - пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).
Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» - и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.
На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10000-20000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.
Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) - протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий
Это самая большая проблема космической электроники - ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот - single-event upset, SEU), в худшем - привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания - то все будет работать как обычно.
Возможно именно это было с Фобос-Грунтом - по официальной версии нерадиационностойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).
Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.
Что будет, если защитить космический аппарат свинцом?
С галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.
Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты - она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге - чем толще защита из тяжелых элементов - тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.
Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий - оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.
Происходящие процессы можно рассмотреть на примере рентгеновской трубки.
Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним - генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения.
Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю - то наша радиационная защита и превратится в естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами и еще более нежными живыми организмами.
Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле - в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т. к. его разбить можно только на субатомные частицы - а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.
Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того - чем больше защиты - тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм алюминия. Самое сложное что есть - это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) - но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.
Орбиту Международной космической станции несколько раз поднимали, и сейчас ее высота составляет более 400 км. Это делалось для того, чтобы увести летающую лабораторию от плотных слоев атмосферы, где молекулы газов еще довольно заметно тормозят полет и станция теряет высоту. Чтобы не корректировать орбиту слишком часто, хорошо бы поднять станцию еще выше, но делать этого нельзя. Примерно в 500 км от Земли начинается нижний (протонный) радиационный пояс. Длительный полет внутри любого из радиационных поясов (а их два) будет гибельным для экипажей.
Космонавт-ликвидатор
Тем не менее нельзя сказать, что на высоте, на которой сейчас летает МКС, проблемы радиационной безопасности нет. Во‑первых, в районе Южной Атлантики существует так называемая Бразильская, или Южно-Атлантическая, магнитная аномалия. Здесь магнитное поле Земли как бы провисает, а с ним ближе к поверхности оказывается нижний радиационный пояс. И МКС его все-таки касается, пролетая в этом районе.
Во-вторых, человеку в космосе угрожает галактическое излучение — несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых или деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел. Часть этих частиц задерживается магнитным полем Земли (что является одним из факторов формирования радиационных поясов), другая часть теряет энергию в столкновении с молекулами газов в атмосфере. Что-то долетает и до поверхности Земли, так что небольшой радиоактивный фон присутствует на нашей планете абсолютно везде. В среднем проживающий на Земле человек, не имеющий дела с источниками радиации, ежегодно получает дозу в 1 миллизиверт (мЗв). Космонавт на МКС зарабатывает 0,5−0,7 мЗв. Ежедневно!
Радиационные пояса Земли представляют собой области магнитосферы, в которых накапливаются высокоэнергетичные заряженные частицы. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов, внешний — из электронов. В 2012 году спутником NASA был открыт еще один пояс, который находится между двумя известными.
«Можно привести интересное сопоставление, — говорит заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шуршаков. — Допустимой ежегодной дозой для сотрудника АЭС считаются 20 мЗв — в 20 раз больше, чем получает обычный человек. Для специалистов по ликвидации аварий, этих особым образом подготовленных людей, максимальная годовая доза составляет 200 мЗв. Это уже в 200 раз больше по сравнению с обычной дозой и… практически столько же, сколько получает космонавт, проработавший год на МКС».
В настоящее время медициной установлена максимальная предельная доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем. Это 1000 мЗв, или 1 Зв. Таким образом, даже работник АЭС с его нормативами может спокойно трудиться лет пятьдесят, ни о чем не беспокоясь. Космонавт же исчерпает свой лимит всего за пять лет. Но, даже налетав четыре года и набрав свои законные 800 мЗв, он уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.
«Еще одним фактором радиационной опасности в космосе, — объясняет Вячеслав Шуршаков, — является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. В момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко — 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают стохастически, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Я не помню такого, чтобы мы были бы заранее предупреждены нашей наукой о грядущем выбросе. Обычно дело обстоит по‑другому. Дозиметры на МКС вдруг показывают повышение фона, мы звоним специалистам по Солнцу и получаем подтверждение: да, наблюдается аномальная активность нашего светила. Именно из-за таких внезапно возникающих солнечных протонных событий мы никогда точно не знаем, какую именно дозу привезет с собой космонавт из полета».
Частицы, сводящие с ума
Радиационные проблемы у экипажей, отправляющихся на Марс, начнутся еще у Земли. Корабль массой 100 или более тонн придется долго разгонять по околоземной орбите, и часть этой траектории пройдет внутри радиационных поясов. Это уже не часы, а дни и недели. Дальше — выход за пределы магнитосферы и галактическое излучение в его первозданной форме, много тяжелых заряженных частиц, воздействие которых под «зонтиком» магнитного поля Земли ощущается мало.
«Проблема в том, — говорит Вячеслав Шуршаков, — что влияние частиц на критические органы человеческого организма (например, нервную систему) сегодня мало изучено. Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе. Пока не накоплено достаточно данных по существованию живых организмов за пределами магнитного поля Земли, отправляться в длительные космические экспедиции очень рискованно».
Когда специалисты по радиационной безопасности предлагают конструкторам космических аппаратов усилить биозащиту, те отвечают, казалось бы, вполне рациональным вопросом: «А в чем проблема? Разве кто-то из космонавтов умер от лучевой болезни?» К сожалению, полученные на борту даже не звездолетов будущего, а привычной нам МКС дозы радиации хоть и вписываются в нормативы, но вовсе не безобидны. Советские космонавты почему-то никогда не жаловались на зрение — видимо, побаиваясь за свою карьеру, но американские данные четко показывают, что космическая радиация повышает риск катаракты, помутнения хрусталика. Исследования крови космонавтов демонстрируют увеличение хромосомных аберраций в лимфоцитах после каждого космического полета, что в медицине считается онкомаркером. В целом сделан вывод о том, что получение в течение жизни допустимой дозы в 1 Зв в среднем укорачивает жизнь на три года.
Лунные риски
Одним из «сильных» доводов сторонников «лунного заговора» считается утверждение о том, что пересечение радиационных поясов и нахождение на Луне, где нет магнитного поля, вызвало бы неминуемую гибель астронавтов от лучевой болезни. Американским астронавтам действительно приходилось пересекать радиационные пояса Земли — протонный и электронный. Но это происходило в течение всего лишь нескольких часов, и дозы, полученные экипажами «Аполлона» в ходе миссий, оказались существенными, но сопоставимыми с теми, что получают старожилы МКС. «Конечно, американцам повезло, — говорит Вячеслав Шуршаков, — ведь за время их полетов не произошло ни одного солнечного протонного события. Случись такое, астронавты получили бы сублетальные дозы — уже не 30 мЗв, а 3 Зв.
Намочите полотенца!
«Мы, специалисты в области радиационной безопасности, — говорит Вячеслав Шуршаков, — настаиваем на том, чтобы защита экипажей была усилена. Например, на МКС наиболее уязвимыми являются каюты космонавтов, где они отдыхают. Там нет никакой дополнительной массы, и от открытого космоса человека отделяет лишь металлическая стенка толщиной в несколько миллиметров. Если приводить этот барьер к принятому в радиологии водному эквиваленту, это всего лишь 1 см воды. Для сравнения: земная атмосфера, под которой мы укрываемся от излучения, эквивалентна 10 м воды. Недавно мы предложили защитить каюты космонавтов дополнительным слоем из пропитанных водой полотенец и салфеток, что намного бы снизило действие радиации. Разрабатываются медикаментозные средства для защиты от излучения — правда, на МКС они пока не используются. Возможно, в будущем методами медицины и генной инженерии мы сможем усовершенствовать тело человека таким образом, чтобы его критические органы были более устойчивыми к факторам радиации. Но в любом случае без пристального внимания науки к этой проблеме о дальних космических полетах можно забыть».
Тогда эта серия статей для Вас… Мы расскажем о природных источниках ионизирующего облучения, использовании радиации в медицине и других интересных вещах.
Источники ионизирующего излучения условно разделяют на две группы — природные и искусственные. Природные источники существовали всегда, а искусственные — человеческая цивилизация создала в 19 веке. Это легко объяснить на примере двух крупных ученых, которые связаны с открытием радиации. Антуан Анри Беккерель открыл ионизирующее излучение урана (природный источник), а Вильгельм Конрад Рентген открыл ионизирующее излучение при торможении электронов, которые ускорялись в специально созданном приборе (рентгеновская трубка как искусственный источник). Проанализируем в процентном и цифровом эквиваленте, какие дозы облучения (количественная характеристика воздействия ионизирующего излучения на организм человека) рядовой гражданин Украины получает в течение года от различных искусственных и природных источников (рис.1).
Рис. 1. Структура и средневзвешенные величины эффективной дозы облучения населения Украины в год
Как видим, основную часть облучения мы получаем от природных источников радиации. Но остались ли эти природные источники такими же, какими были на ранних этапах цивилизации? Если так — можно не беспокоиться, ведь мы давно приспособились к такому облучению. Но, к сожалению, это не так. Деятельность человека приводит к тому, что природные радиоактивные источники концентрируют и увеличивают возможность их влияния на человека.
Одним из таких мест, где увеличивается возможность влияния радиации на человека, является космическое пространство. Интенсивность радиационного облучения зависит от высоты над уровнем моря. Таким образом, космонавты, пилоты и пассажиры воздушного транспорта, а также население, проживающее в горах, получают дополнительную дозу облучения. Попробуем узнать, насколько это опасно для человека, и какие «радиационные» секреты скрывает космос.
Радиация в космосе: какая опасность для космонавтов?
Все началось с того, что американский физик и астрофизик Джеймс Альфред Ван Аллен решил закрепить на первом спутнике, который был запущен на орбиту, счетчик Гейгера-Мюллера. Показатели этого прибора официально подтвердили существование вокруг земного шара пояса интенсивной радиации. Но откуда она появилась в космосе? Известно, что радиоактивность в космосе существует очень давно, даже еще до возникновения Земли, таким образом, космическое пространство постоянно наполнялось и наполняется радиацией. После проведенных исследований ученые пришли к выводу, что радиация в космосе возникает или от солнца, во время вспышек, или от космических лучей, которые возникают в результате высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.
Было установлено, что радиационные пояса начинаются с 800 км над поверхностью Земли и простираются до отметки 24000 км. По классификации Международной федерации аэронавтики полет считается космическим, если его высота превышает 100 км. Соответственно, наиболее уязвимыми в плане получения большой дозы космического облучения являются космонавты. Чем выше они поднимаются в открытый космос, тем ближе они к радиационным поясам, следовательно, тем больше риск получения значительного количества радиации.
Научный руководитель программы Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) по исследованию влияния радиации на человека, Фрэнсис Кучинотта как-то заметил, что наиболее неприятным последствием от космического облучения при длительных полетах космонавтов является развитие катаракты, то есть помутнение хрусталика глаза. Более того, существует опасность заболевания раком. Но Кучинотта также отметил, что после полета не наблюдается каких-то чрезвычайно страшных последствий у космонавтов. Он лишь подчеркнул, что многое еще неизвестно о том, как влияет космическая радиация на космонавтов и какие реальные последствия этого воздействия.
Вопрос защиты космонавтов от радиации в космосе всегда было в числе приоритетных. Еще в 60 — х годах прошлого века ученые разводили руками и не знали, как защитить космонавтов от космической радиации, особенно при необходимости выхода в открытый космос. В 1966 году советский космонавт все-таки решился выйти в открытый космос, но в очень тяжелом свинцовом костюме. Впоследствии технический прогресс сдвинул решения проблемы с мертвой точки, и были созданы более легкие и безопасные костюмы.
Освоение космических пространств всегда влекло ученых, исследователей и космонавтов. Секреты новых планет могут пригодиться для дальнейшего развития человечества на планете Земля, но также могут быть и опасными. Именно поэтому полет Curiosity на Марс имел большое значение. Но не будем отходить от основного фокуса статьи и сосредоточимся на результатах радиационного облучения, зафиксированного соответствующим прибором на борту марсохода. Этот прибор находился внутри космического корабля, поэтому его показатели свидетельствуют о реальной дозе, которую может получить космонавт уже в пилотируемом корабле. Ученые, которые обрабатывали результаты измерений, сообщили неутешительные данные: эквивалентная доза облучения была в 4 раза больше, от той, что предельно допустимая для работников атомных станций. В Украине предел дозы облучения для тех, кто постоянно или временно работает непосредственно с источниками ионизирующих излучений 20 мЗв.
Для изучения самых отдаленных уголков космоса нужно проводить миссии, которые не могут технически осуществляться с использованием традиционных источников энергии. Этот вопрос был решен путем использования ядерных источников энергии, а именно — изотопных батарей и реакторов. Эти источники являются уникальными в своем роде, поскольку имеют высокий энергетический потенциал, что значительно расширяет возможности миссий в космическом пространстве. Например, стали возможными полеты зондов к внешним границам Солнечной системы. Поскольку продолжительность таких полетов достаточно велика, панели солнечных батарей не пригодны в качестве источника энергопитания для космических аппаратов.
Обратной стороной медали являются потенциальные риски, связанные с использованием радиоактивных источников в космосе. В основном — это опасность непредвиденных или аварийных обстоятельствах. Именно поэтому государства, запускающие космические объекты с ядерными источниками энергии на борту, прилагают максимальные усилия для защиты отдельных лиц, населения и биосферы от радиологических опасностей. Такие условия были определены в принципах, касающихся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве, и были приняты в 1992 году резолюцией Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций (ООН). В этих же принципах также определено, что любое государство, которое запускает космический объект с ядерными источниками энергии на борту, должно своевременно информировать заинтересованные страны, если на космическом объекте появляется неисправность и возникает опасность возвращения радиоактивных материалов на Землю.
Также Организация Объединенных Наций совместно с Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) разработали рамки обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве. Они призваны дополнить нормы МАГАТЭ по безопасности руководством высокого уровня, учитывающим дополнительные меры обеспечения безопасности при использовании ядерных источников энергии на космических объектах в течение всех этапов миссий: запуска, эксплуатации и вывода из эксплуатации.
Нужно ли бояться радиации при использовании воздушного транспорта?
Космические лучи, несущие радиацию, попадают практически во все уголки нашей планеты, однако распространения радиации проходит не пропорционально. Магнитное поле Земли отклоняет значительное количество заряженных частиц от экваториальной зоны, тем самым сосредоточивает больше радиации на Северном и Южном полюсах. Более того, как уже отмечалось, космическое облучение зависит от высоты. Те, кто проживают на уровне моря, получают от космической радиации в год примерно 0,003 мЗв, а те, кто проживают на уровне 2 км, могут получить в два раза больше радиации.
Как известно, при крейсерской скорости для пассажирских авиалайнеров в 900 км/ч, с учетом соотношения сопротивления воздуха и подъемной силы, оптимальная высота при перелете для самолета обычно составляет примерно 9-10 км. Так что при подъеме авиалайнера до такой высоты уровень облучения может вырасти практически в 25 раз от того, каким он был на отметке в 2 км.
Пассажиры, совершающие трансатлантические полеты подвергаются наибольшему облучению за один рейс. При перелете из США в Европу человек может получить дополнительных 0,05 мЗв. Дело в том, что земная атмосфера имеет соответствующую экранирующую защиту от космического облучения, но при поднятии авиалайнера на вышеуказанную оптимальную высоту эта защита частично исчезает, что приводит к получению дополнительного облучения. Именно поэтому частые перелеты через океан повышают риск получения организмом повышенной дозы радиации. Например, 4 подобных перелета может стоить человеку получения дозы в 0,4 мЗв.
Если говорить о пилотах, то здесь ситуация складывается несколько по-другому. Поскольку они достаточно часто совершают перелеты через Атлантику, доза облучения пилотов авиалайнеров может превышать 5 мЗв в год. По меркам Украины при получении такой дозы лица уже приравниваются к другой категории — людей, которые непосредственно не заняты работой с источниками ионизирующего излучения, но в связи с расположением рабочих мест в помещениях и на промышленных площадках объектов с радиационно-ядерными технологиями могут получать дополнительное облучение. Для таких лиц установлен лимит дозы облучения 2 мЗв в год.
Международное агентство по атомной энергии проявляет значительный интерес к этому вопросу. МАГАТЭ разработало ряд норм по безопасности, и проблема облучения экипажей воздушных судов также нашла свое отражение в одном из таких документов. Согласно рекомендациям Агентства, ответственным за установление референтного уровня дозы облучения экипажей воздушных судов является национальный регулирующий орган или другой соответствующий и компетентный орган. В случае превышения этой дозы, работодатели экипажа воздушного судна должны провести соответствующие мероприятия по оценке доз и их регистрацию. Более того, они должны проинформировать женщин — членов экипажей воздушных судов — о связанном с воздействием космического излучения риске для эмбриона или плода и о необходимости раннего оповещения о беременности.
Можно ли рассматривать космос как место для захоронения радиоактивных отходов?
Мы уже убедились, что космическое облучение, хотя и не несет катастрофических последствий для человечества, но повысить уровень облучения человека может. Оценивая влияние космических лучей на человека, многие ученые также изучают возможность использования космического пространства для нужд человечества. В контексте этой статьи очень неоднозначно и интересно выглядит идея захоронения радиоактивных отходов в космосе.
Дело в том, что ученые стран, где активно используют атомную энергетику, находятся в постоянном поиске мест безопасной локализации радиоактивных отходов, которые постоянно накапливаются. Космическое пространство тоже рассматривалось некоторыми учеными как одно из потенциальных мест размещения опасных отходов. Например, специалисты Государственного конструкторского бюро «Южное», которое расположено в Днепропетровске, совместно с Международной академией астронавтики изучают технические составляющие реализации идеи захоронения отходов в далеком космосе.
С одной стороны, отправка подобных отходов в космос очень удобна, так как может осуществляться в любое время и в неограниченном количестве, что снимает вопрос о будущем этих отходов в нашей экосистеме. Более того, как отмечают специалисты, такие полеты не требуют большой точности. Но с другой стороны, данный метод имеет и слабые стороны. Основной проблемой является обеспечение безопасности для биосферы Земли на всех этапах запуска ракетоносителя. Вероятность аварии при запуске достаточно высока, и оценивается практически в 2-3 %. Пожар или взрыв ракетоносителя на старте, в полете или его падение может стать причиной значительного рассеивания опасных радиоактивных отходов. Именно поэтому, при изучении этого метода основное внимание должно быть приковано именно к вопросу безопасности при любых аварийных ситуациях.
Ольга Макаровская, заместитель Председателя Госатомрегулирования Украины; Дмитрий Чумак, ведущий инженер сектора информационного обеспечения Информационно-технического отдела ГНТЦ ЯРБ, 10/03/2014
https://сайт/wp-content/uploads/2015/09/diagram11.jpg 450 640 admin //сайт/wp-content/uploads/2017/08/Logo_Uatom.png admin 2015-09-29 09:58:38 2017-11-06 10:52:43 Радиация и космос: что нужно знать? («Радиационные» секреты, которые скрывает космическое пространство)
