Космическая радиация
Космическая радиация (космическое излучение) — любое волновое или корпускулярное излучение (ионизирующее излучение), рождённое за пределами Земли[1], испускаемое небесными телами.
Что такое космическая радиация?
Термин «космическая радиация» довольно обширен и используется для описания энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн и/или других частиц, испускаемых небесными телами[2]. Это могут быть фотоны высокой энергии (рентгеновское излучение и гамма-излучение), электроны, субатомные частицы, протоны (ядра атома водорода) и более тяжелые ядра атомов. Возникает это излучение там, где активно проходят ядерные или термоядерные реакции либо выделяется много энергии, например в недрах звёзд, у сверхновых, в аккреционных дисках чёрных дыр, в ядрах активных галактик, в ударных волнах межзвёздного газа[1].
Иногда космическую радиацию называют космические лучи, но тут надо понимать, что под лучами имеется в виду не свет (фотоны), а вещество — электроны, ядра атомов и продукты их деления, летящие со скоростью в десятки или сотни тысяч километров в секунду, то есть близко к скорости света. Чем выше скорость частиц, тем выше их энергичность.
Космические лучи — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве[3].
История физики космических лучей
Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов[3]. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток.
В 1911—1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Виктор Франц Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах В. Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз[4].
В 30-е годы XX столетия были проведены ряд открытий — в 1932 году К. Д. Андерсон открыл в космических лучах позитрон, в 1937 году совместно К. Д. Андерсоном и С. Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада.
В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц — гиперонов. Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении чётности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии.
Появление космических ракет и спутников в 1958 году привело к открытию — обнаружены радиационные пояса Земли (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков[5],[6] и Ван Аллен, в том же году независимо от них), что позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.
Типы космической радиации
Наряду с невесомостью космическая радиация является одним из основных негативных факторов в космосе. Она имеет три источника: галактические космические лучи, гамма-излучение от солнца и так называемый пояс Ван-Аллена[7].
Космическую радиацию для космонавтов условно можно разделить на две части[8]:
- в радиационных поясах планет;
- от космических лучей (галактические, внегалактические и от солнца).
Соответственно, это зоны при отлёте от планет с магнитосферой и при межпланетных перелётах.
Космические лучи по сути это поток высокоскоростных частиц, образованные при взрывах сверхновых и прочих космических событий[8]. Из всего потока наиболее опасны — это протоны (92 %) и электроны (1 %), с высокой энергией. Остальное — это ядра гелия (и прочих частиц) и нейтроны, которых там мало. На самом деле, космические лучи можно даже «увидеть» — если лететь в корабле с тонкой обшивкой, то периодически будут происходить вспышки в глазах, даже закрытых — предположительно, это протон влетел и разрушил пару клеток/нейронов. В целом, галактические лучи равномерно распределены в пространстве, поэтому будут лететь в корабль со всех сторон.
Солнечное магнитное поле отклоняет и рассеивает заряженные частицы прилетающие извне, поэтому до Земли долетают галактические космические лучи только высокой энергии. Они довольно редки, в сравнении с солнечными, но их энергия на порядки выше. Поток солнечных заряженных частицы намного плотнее, но энергия большинства из них намного меньше, поэтому с ними эффективно взаимодействует и земное магнитное поле, и обшивка космических кораблей[1].
Что такое радиационные пояса?
Фотоны могут преодолевать просторы космического вакуума на протяжении миллиардов лет, и лишь гравитационные поля способны влиять на их траекторию. В отличие от фотонов, частицы, имеющие электрический заряд, подвергаются воздействию ещё и магнитных полей. Это могут быть галактические магнитные поля, солнечная или земная магнитосфера. Чем выше энергия частицы, тем меньшее воздействие на неё оказывает магнитное поле, и тем ближе к прямой линии её траектория[1].
Космическая радиация «не улетает» обратно в космос. Она накапливается вокруг нашей планеты, формируя, так называемые, Пояса Ван Аллена (или радиационные пояса)[2].
В период заседания Ассамблеи Международного геофизического года (Москва, 31 июля — 9 августа 1958 года)[9] научный лексикон обогатился новыми понятиями: захваченные магнитным полем заряженные частицы, нейтроны альбедо космических лучей, проникновение солнечных частиц в магнитное поле Земли и их захват. Именно тогда был введен общепринятый сейчас термин «радиационные пояса Земли»[10]. Пояс представляет собой скопление протонов и электронов, захваченных из космоса магнитным полем Земли[7].
В СССР подготовка экспериментов на спутниках началась в середине 1956 года. На совещании в Академии наук СССР ведущие специалисты по физике верхней атмосферы Земли, магнитного поля, ионосферы и космических лучей получили задание подготовить предложения-проекты экспериментов на искусственных спутниках Земли. Собранные заявки охватывали широкий спектр исследований от атмосферы до микрометеоров (и космической радиации в том числе), причём предполагалось все измерения проводить на одном аппарате[10].
На борту «Спутника-2», вышедшего на орбиту через месяц после «Спутника-1» (3 ноября 1957 года) было установлено два идентичных прибора, которые показывали практически одинаковые результаты, согласующиеся с имеющимися представлениями о потоках космических лучей на различных широтах и высотах до 300—600 км. Кроме научной аппаратуры находилась собака по имени Лайка. Она была гвоздём проекта, весь полёт задумывался для ответа на вопрос: смогут ли летать в космос люди? Но была и научная программа, которая включала изучение ультрафиолетового излучения Солнца (под руководством С. Л. Мандельштама) и космических лучей (экспериментом руководил С. Н. Вернов)[10].
31 января 1958 года был запущен аппарат США — искусственный спутник Земли «Эксплорер 1»[10], оснащённый счётчиком Гейгера для изучения космических лучей (научный руководитель эксперимента Дж. Ван Аллен). В перигее (ближайшая к Земле точка орбиты Луны или искусственного спутника, либо другого небесного тела, обращающегося вокруг Земли) измерительный прибор продемонстрировал расчётный уровень излучения. После того как летательный аппарат достиг апогея, счётчик Гейгера перестал передавать сигнал[11]. Астрофизик из США Джеймс Альфред Ван Аллен (английский вариант — Van Allen) предположил, что отсутствие показаний связано с повышенным уровнем излучения.
В 3 часа утра, я упаковал расчёты и графики и отправился домой с убеждением, что наши инструменты на обоих Explorers I и III работали должным образом, но что мы встретили новый таинственный физический эффект", -вспоминал Ван Аллен
1 мая 1958 года Ван Аллен выступил на совместном заседании Национальной Академии наук и Физического общества США, где озвучил свою теорию[12].
Дальнейшие исследования американских и русских учёных подтвердили высказанную гипотезу. Выяснилось, что планету окружают радиоактивные пояса, в которых концентрируются и удерживаются электроны и протоны солнечного ветра, заряженные энергией до 3 мегаэлектронвольт (МэВ).
Приборы Ван Аллена сразу после запуска оказались в экваториальных областях повышенной радиации, скорость счёта частиц быстро нарастала и даже попадала в режим перегрузки, приборы зашкаливали, счётчики переставали работать. Ван Аллен с коллегами правильно интерпретировали ситуацию и зафиксировали наличие потоков радиации в экваториальных районах Земли на высотах, больших 500 км.
Впереди было и очень важное событие — создание искусственных поясов радиации в магнитном поле Земли с помощью атомного взрыва небольшой мощности (американский эксперимент Argus в августе 1958 года)[10].
Строение радиационного пояса
После трёх десятилетий изучения радиационных поясов у учёных сложилось достаточно полное представление об их природе и строении. Радиационными поясами теперь принято считать область околоземного пространства, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы, обладающие кинетической энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. В их число входят протоны, электроны и α-частицы. Частицы не могут покинуть радиационные пояса из-за того, что магнитное поле здесь имеет форму так называемой магнитной ловушки, лабораторным аналогом которой может служить зеркальная ловушка, используемая для создания термоядерного синтеза. Некоторые частицы находятся здесь очень долгое время, например, протоны — многие десятилетия. Под действием силы Лоренца частицы совершают в радиационных поясах сложное движение: колебательное по спиральной траектории вдоль силовой линии из северного полушария в южное и обратно с одновременным более медленным перемещением вокруг Земли[9].
Область магнитной сферы, удерживающая заряженные элементарные частицы, по форме похожа на тор[11]. Выделяют внутренний (высота до 4 тысяч километров) и внешний (высота до 17 тысяч километров) радиоактивный пояс. Первая область состоит в основном из положительно заряженных элементарных частиц, обладающих энергией в десятки МэВ. Второй пояс содержит малоэнергетичные электроны. Между внутренней и внешней зоной магнитосферы есть «щель», которая находится в промежутке от двух до трех радиусов планеты (так называемая «безопасная область»).
Высота нижней части внутреннего радиационного пояса Земли изменяется по долготе на одной и той же широте. Разность расстояний обусловлена наклоном магнитосферы относительно оси вращения планеты. Изменение высоты радиационного пояса Ван Аллена по долготе на разных широтах связано с различными размерами силовых контуров магнитного поля Земли. Внутренняя область магнитосферы отличается стабильностью, а внешняя подвергается сильным колебаниям.
Теоретические модели радиационных поясов, разработанные в преддверии полетов «Аполлона», показали, что прохождение через них не будет представлять существенной угрозы для здоровья космонавтов.
Опасность космической радиации
Космическое пространство является суровой средой: там нет воздуха, практически нет гравитации (микрогравитация не в счёт). Кроме того, в космосе очень холодно, да ещё и подстерегает невидимая опасность в виде солнечной радиации. Как известно, радиационное облучение может стать причиной развития ряда серьёзных заболеваний[13] сердца, бронхо-легочной системы и приводить к проблемам с иммунитетом и повышенному риску развития онкологии.
Космические корабли и спутники, двигающиеся на высоте более 2000 км, неизбежно попадают под влияние поясов Ван Аллена[11]. Интенсивная радиация повреждает солнечные батареи, электронные компоненты и измерительные приборы. Для ракет и спутников разрабатывают специальные микросхемы, которые производятся по технологии «кремний на изоляторе».
Воздействие космической радиации, когда мы находимся на Земле, невелико[14]. Воздействие космического излучения повышается если мы совершаем полёт на самолёте, но за один полёт доза облучения совсем незначительна. Опасность возникает для экипажей воздушных судов, которые работают на дальнемагистральных полярных маршрутах. Для них количество летных часов контролируется Ассоциацией воздушного транспорта. Она также устанавливает предельные дозы облучения, которым может подвергаться экипаж. Для сравнения[14],[15]:
| Доза облучения за год | мЗв (миллизиверт) |
| экипаж самолета, регулярно выполняющий дальнемагистральный полярный маршрут | ~6 |
| сотрудник атомной электростанции | 20 |
| специалист по ликвидации аварий на АЭС | 200 |
| космонавт на Международной космической станции | 200 |
Космические экспедиции подвергают тело воздействию более высоких доз ионизирующего излучения, чем те, которые обычно имеются на Земле, так как атмосфера нашей планеты задерживает большую часть этих опасных частиц[13].
Медициной установлено, что максимальная доза облучения, которую человеку нельзя превышать в течение жизни — это 1000 мЗв, или 1 зиверт. Космонавт исчерпает этот лимит всего за пять лет[14].
Исследование опирается на информацию, полученную от 418 космических путешественников, включая 301 астронавта NASA, которые по крайней мере один раз с 1959 года совершали путешествие в космос, и 117 российских и советских космонавтов, хотя бы раз побывавших в космосе с 1961 года. За всеми этими участниками следили в среднем около 25 лет[13]. Результаты исследований были опубликованы в журнале Scientific Reports.
Если ионизирующее излучение и вызывает повышенный риск смерти из-за рака и сердечно-сосудистых заболеваний, то этот эффект не является значимым", -говорят ученые.
По оценке специалистов Института медико-биологических проблем РАН, суммарная доза при полете на Марс туда и обратно составит примерно 0,7 зиверта за 350 суток[14]. Не смертельно, но это означает, что совершить подобный полёт человек сможет только один раз за свою жизнь. И не сможет при этом надолго остаться на другой планете, так как у Марса нет магнитного поля.
Защита от космической радиации космонавтов на Международной космической станции
Космонавты на МКС имеют при себе индивидуальные дозиметры, чтобы после возвращения на Землю специалисты могли определить, какую дозу радиации получил каждый член экипажа. При выходе в открытый космос используется дозиметр «Пилле-МКС». На самой станции в рабочих отсеках и каютах космонавтов размещена система радиационного контроля, работающая круглосуточно[14].
Толщина алюминиевой внешней оболочки станции — 3 миллиметра. Внутри станции есть множество приборов, снаружи экранно-вакуумная теплоизоляция и экраны противометеоритной защиты. Всё это тоже предохраняет от воздействия радиационных лучей. Но самые незащищённые места внутри космического дома — каюты космонавтов, ведь на их стенках внутри приборов нет. В российском сегменте внутри кают устанавливается защитная шторка. Она представляет собой сборку, внутри которой размещены салфетки, идентичные тем, что используют космонавты для личной гигиены. Упаковка и пропитка этих влажных салфеток изготовлены из материалов, которые содержат молекулы углерода, азота и водорода, способные эффективно ослаблять космическую радиацию. Эффективность поглощения радиации такой шторкой составляет около 40 %[14].
Галерея
Пояс Ван Аллена
Космическое излучение
Искусственный спутник Земли "Эксплорер 1", США
Искусственный спутник Земли "Эксплорер 1", США
Ван Аллен, Джеймс Альфред
.jpg)
Библиография
- Мурзин, B.C. Астрофизика космических лучей: Учебное пособие для вузов. — М.: Университетская книга; Логос, 2007. — 488 с.[16]
- Новиков, Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов. — М.: Университетская книга, 2010. — 192 с.
- Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ): космическое излучение. / под редакцией Петровского Б. В., 3-е издание, том 11.
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Опасна ли космическая радиация на полярной орбите?. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 2,0 2,1 Владимир Кузнецов. Почему космическая радиация не убила астронавтов при полете на Луну. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 3,0 3,1 Космические лучи (Космическая радиация). Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ Что такое космическое излучение?. Дата обращения: 11 мая 2023.
- ↑ Вернов, С. Н. Открытие и исследование радиационного пояса Земли [Текст] : (стенограмма выступлений лауреатов Ленинской премии чл.-кор. Акад. наук СССР С. Н. Вернова и д-ра физ.-мат. наук А. Е. Чудакова) / С. Н. Вернов, А. Е. Чудаков. — Москва : Знание, 1960. — 16 с.
- ↑ Вернов, С.Н. Излучение космических лучей с помощью ракет и спутников СССР // Ядерная физика.
- ↑ 7,0 7,1 Невидимый убийца из космоса. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 8,0 8,1 Радиоактивный космос. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 9,0 9,1 Темный В.В. История открытия радиационных поясов Земли: кто же, когда и как?. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 10,0 10,1 10,2 10,3 10,4 Логачев, Ю.И. Радиационные пояса Земли: открытие и первые исследования. «Природа» №12, 2017. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 11,0 11,1 11,2 Что такое пояс Ван Аллена?. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ К истории открытия радиационных поясов Земли.
- ↑ 13,0 13,1 13,2 Владимир Кузнецов. Космическая радиация может быть не так опасна, как мы думаем. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ 14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 Космическая радиация. Дата обращения: 8 мая 2023.
- ↑ Самойлов, А. С. Радиационное воздействие в орбитальных и межпланетных космических полётах: мониторинг и защита / А. С. Самойлов, И. Б. Ушаков, В. А. Шуршаков // Экология человека. 2019. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/radiatsionnoe-vozdeystvie-v-orbitalnyh-i-mezhplanetnyh-kosmicheskih-polyotah-monitoring-i-zaschita
- ↑ http://www.kaf07.mephi.ru/eduroom/Books/Murzin_astrofizika.pdf
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!