Опасна ли космическая радиация на полярной орбите

Космической радиацией называют ионизирующее излучение, рожденное за пределами Земли. Это могут быть фотоны высокой энергии (рентген и гамма), 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 звезд, у сверхновых, в аккреционных дисках черных дыр, в ядрах активных галактик, в ударных волнах межзвездного газа… Звезды в этом списке самые слабые и самые спокойные источники радиации, но Солнце гораздо ближе к нам, чем остальные, поэтому часто можно услышать, что оно представляет главную угрозу в космических полётах.

Космическую радиацию разделяют на солнечную и галактическую, в зависимости от того, с какой стороны она прилетела. В отличие от солнечной, галактическая прилетает отовсюду. 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, т.е. близко к скорости света. Чем выше скорость частиц, тем выше их энергичность. Есть ещё солнечные заряженные частицы низкой энергии, чья скорость от сотен до двух тысяч километров в секунду, они называются солнечным ветром и радиацией не считаются.

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.

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.

Солнечные заряженные частицы это в основном электроны, протоны и альфа-частицы (ядра атома гелия). Частицы наименьшей энергии не могут преодолеть земного магнитного поля и обтекают нашу планету на расстоянии несколько тысяч километров. Поэтому часто можно встретить утверждения, что мы защищены от космической радиации земным магнитным полем, хотя это верно лишь для космических лучей слабой и средней энергии и солнечного ветра.

Заряженные частицы высокой энергии, например от солнечных протонных событий или галактические лучи, способны «пробивать» земную магнитную защиту и поглощаются нашей атмосферой. В такие моменты на Земле датчики регистрируют увеличение потока вторичной радиации с неба, тут уже могут быть и гамма, и электроны, и нейтроны и продукты деления атомных ядер, но всё это порождается уже в воздухе. Так можно изучать космическую радиацию и с Земли, но это сложно, примерно как по кругам на воде изучать бросаемые в воду камни. Поэтому астрофизики активно запускают в космос датчики заряженных частиц и космические телескопы.

Как только в космос полетели первые дозиметры, оказалось, что распределение заряженных частиц вокруг Земли неоднородно. Так люди узнали о радиационных поясах.

Как было обнаружено космическое излучение?

Что такое космическое излучение?

Космическое излучение из космоса – это поток высокоэнергетических заряженных частиц. До сих пор его точное происхождение еще не до конца понятно. В связи с этим среди ученых все еще существуют противоречия.

Как было обнаружено космическое излучение?

Около века назад ученые начали измерять заряды в атмосфере. В то время, хотя некоторые из них действительно обнаруживали явления ионизации в атмосфере, они полагали, что заряды испускаются Землей, а не из космоса.

В 1912 году немецкий ученый Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на 5000 метров и измерил изменения в атмосфере. Он обнаружил, что обнаруженный ток увеличивается с высотой, что привело к его убеждению, что ток был вызван сильным проникающим излучением из космоса. Этот вид излучения впоследствии был назван “космическими лучами”. И благодаря этому открытию Виктор Гесс был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.

Состав космических лучей

Космические лучи состоят в основном из высокоэнергетических протонов: 85% ядер водорода, 12% α-частиц, с небольшой долей электронов и некоторыми более тяжелыми атомными ядрами. Космические лучи движутся в пространстве почти со скоростью света, некоторые из которых достигают Земли.

Воздействие космических лучей на организм человека

Одна вещь, которую мы должны знать, – то, что заряд высокоэнергетических частиц космических лучей может достигать 100 МэВ. Они могут нарушать нормальную функцию клетки, вызывать заболевания, а значит, представлять угрозу для космонавтов. Если космические лучи проникают в капсулу космических кораблей, они могут также подорвать точность прибора, влияя на их работу. Таким образом, тщательное планирование должно быть принято в каждой космической миссии.

Как человеческое тело сталкивается с космическим излучением?

Пока мы живем на поверхности Земли, нет необходимости принимать какие-либо меры предосторожности против воздействия космического излучения. Это потому, что у Земли есть два механизма, чтобы защитить нас от вреда космических лучей:

Магнитное поле Земли – когда космические лучи приближаются к Земле, магнитное поле будет отклонять заряженные частицы. Конечным результатом является то, что они в основном сосредоточены на двух полюсах Земли, которые очень малочисленны, если вообще населены. Видимым проявлением влияния магнитного поля Земли является сияние, наблюдаемое на полюсах – некоторые частицы космических лучей, которые входят в верхнюю атмосферу Земли (ионосферу), взаимодействуют с атомами, молекулами или ионами азота и кислорода, чтобы произвести красный цвет, зеленый или синий, которые наблюдаются только в высокоширотных областях Земли, демонстрируя, что под магнитным полем Земли интенсивность космических лучей выше вблизи северного и южного полюсов, но ниже вблизи экватора.
Другим механизмом является защитная атмосфера Земли. Атмосфера не только может поглощать большую часть инфракрасного и ультрафиолетового света, но и взаимодействовать с космическими лучами. Частицы высоких энергий так называемого первичного космического луча столкнутся с атомами кислорода или азота в атмосфере и затем превратятся во вторичные частицы космического луча.

Космические лучи проходят через атмосферу, ослабляются и в конечном итоге достигают земли

Эти вторичные частицы имеют достаточную энергию для производства частиц следующего поколения. В результате последовательных преобразований будет получен большой кластер частиц. Однако большинство этих частиц будут поглощаться или саморазрушаться при попадании в атмосферу. Большая часть космического излучения не может достичь поверхности Земли. Энергии частиц, которые проникают на поверхность Земли, будут дополнительно уменьшаться при приближении к земле.

Следовательно, атмосфера действует как барьер для блокирования частиц высоких энергий. Когда космические лучи достигают поверхности Земли, потенциальные вредные воздействия значительно уменьшаются.

Как Гонконгская обсерватория измеряет космические лучи?

Для измерения космических лучей на уровне земли самое главное-минимизировать воздействие других источников излучения, исходящих с земли. Поэтому при проведении измерений существуют определенные требования для обеспечения хороших результатов:

Прежде всего, нам нужно провести измерение в большом пресноводном озере, чтобы ионизирующее излучение радиоактивных веществ в земной коре было поглощено водой; точка измерения должна находиться далеко от гор, почвы и камней, ее расстояние должно быть не менее 1000 метров от берега; а также глубина воды около 6 метров.

Обсерватория Гонконга впервые измерила космическое излучение в 1989 году (Tsui et al, 1991). В Гонконге идеальное место для измерений – водохранилище Plover Cove. С 2000 года Обсерватория ежеквартально использовала лодку из стекловолокна Департамента водоснабжения для измерения в центре резервуара мощности дозы гамма-излучения, вызванной космическими лучами. Для измерения использовалась ионизационная камера высокого давления (портативная система радиационного контроля окружающей среды Reuter-Stokes, модель RSS-131). Время измерения составляло около 1 часа каждый раз.

Сотрудники обсерватории проводят измерения космических лучей на водохранилище Пловерской бухты

Материалы оборудования и стеклопластиковой лодки вместе с радиоактивным элементом (калием-40) внутри человеческого тела также испускают излучение. Поэтому, чтобы получить более высокую точность мощности дозы гамма-излучения из-за космического излучения, мы также устраняем такие незначительные эффекты излучения, добавляя корректировку к измерениям. Такая корректировка составляет около -0,0036 мкГр-1.

На следующем рисунке показаны временные ряды космических излучений, измеренных HKO в 2000–2009 годах. В течение этого периода средняя мощность дозы гамма-излучения находилась в диапазоне от 0,029 до 0,038 мкГр-1, тогда как общее среднее значение составляло 0,033 мкГр-1.