О радиации, как главном «препятствии» в освоении космоса. Естественный радиационный фон. Космическое излучение

07.12.2016

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.

Русский философ Н.Ф. Фёдоров (1828 - 1903) впервые заявил о том, что перед людьми лежит путь к освоению всего космического пространства как стратегического пути развития человечества. Он обратил внимание на то, что только такая безбрежная область способна привлечь к себе всю духовную энергию, все силы человечества, которые растрачиваются на взаимные трения или расходуются по пустякам. ... Его идея о переориентации промышленного и научного потенциала военно-промышленного комплекса на исследование и освоение космоса, в том числе и дальнего, способно кардинальным образом снизить военную опасность в мире. Для того, чтобы это произошло на практике, сначала это должно произойти в головах людей, в первую очередь принимающих глобальные решения. ...

На пути освоения космического пространства возникают различные сложности. Главным препятствием на первый план якобы выходит проблема радиации, вот перечень публикаций об этом:

29.01.2004 , газета «Труд», «Облучение на орбите»;
("И вот печальная статистика. Из 98 наших летавших космонавтов в живых нет уже восемнадцати, то есть каждого пятого. Из них четверо погибли при возвращении на Землю, Гагарин - в авиакатастрофе. Четверо умерли от рака (Анатолию Левченко было 47 лет, Владимиру Васютину - 50...). ")

2. За 254 дня полёта на Марс марсохода «Кьюриосити» доза облучения составила более 1 Зв , т.е. в среднем более 4 мЗв/день.

3. При полётах космонавтов вокруг Земли доза облучения составляет от 0,3 до 0,8 мЗв/день ()

4. С момента открытия радиации, её научного изучения и практического массового освоения промышленностью накоплен огромный , в том числе и по воздействию радиации на организм человека .
Чтобы связать заболевание космонавта с воздействием космической радиации нужно сравнивать между собой заболеваемость космонавтов, летавших в космос, с заболеваемостью космонавтов контрольной группы, которые в космосе не были.

5. В космической интернет энциклопедии www.astronaut.ru собрана вся информация по космонавтам, астронавтам и тайконавтам, летавшим в космос, а также кандидатах, отобранных для полётов, но не летавших в космос.
Пользуясь этими данными я составил сводную таблицу по СССР/России с персональными налётами, датами рождения и смерти, причинами смерти и др.
Обобщенные данные представлены в таблице:

6. Также много и других данных по здоровью людей, получивших повышенные дозы радиационного облучения в годы создания атомной отрасли в СССР. Так, «на ПО «Маяк»: «В 1950-1952 гг. мощности дозы внешнего гамма(излучения вблизи технологических аппаратов достигали 15-180 мР/ч. Годовые дозы внешнего облучения у 600 наблюдаемых работников завода составляли 1,4-1,9 Зв/год. В отдельных случаях максимальные годовые дозы внешнего облучения достигали 7-8 Зв/год. …
Из 2300 работников, перенесших хроническую лучевую болезнь, после 40-50 лет наблюдений в живых остается 1200 человек со средней суммарной дозой 2,6 Гр при среднем возрасте 75 лет. А из 1100 умерших (средняя доза 3,1 Гр) в структуре причин смерти заметно увеличение доли злокачественных опухолей, но и их средний возраст составил 65 лет.»
«Проблемы ядерного наследия и пути их решения.» — Под общей редакцией Е.В. Евстратова, А.М. Агапова, Н.П. Лаверова, Л.А. Большова, И.И. Линге. — 2012 г. — 356 с. — Т1. (скачать)

7. «… обширные исследования, охватившие около 100 000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 году, показали, что пока рак является единственной причиной повышения смертности в этой группе населения.
«Однако в то же самое время развитие рака под действием радиации не является специфическим, оно может вызываться также другими природными или техногенными факторами (курением, загрязнением воздуха, воды, продуктов химическими веществами и др.). Радиация лишь повышает риск, существующий без нее. Например, российские медики считают, что вклад нерационального питания в развитие раковых заболеваний составляет 35%, а курения — 31%. А вклад радиации, даже при серьезном облучении, не больше 10%».()


(ист. «Ликвидаторы. Радиологические последствия Чернобыля», В. Иванов, Москва, 2010 год (скачать)

8. «В современной медицине радиотерапия является, одним из трех ключевых методов лечения онкологических заболеваний (двумя другими являются химиотерапия и традиционная хирургия). При этом, если отталкиваться от тяжести побочных эффектов, лучевая терапия переносится гораздо легче. В особо тяжелых случаях пациенты могут получать очень высокую суммарную дозу - до 6 грей (при том, что доза порядка 7-8 грей является смертельной!). Но даже при такой огромной дозе, когда больной выздоравливает, он зачастую возвращается к полноценной жизни здорового человека - даже дети, рожденные бывшими пациентами клиник лучевой терапии, не обнаруживают никаких признаков врожденных генетических отклонений, связанных с облучением.
Если тщательно обдумать и взвесить факты, то такое явление, как радиофобия - иррациональный страх перед радиацией и всем, что с ней связано - становится совершенно нелогичным. Действительно: люди считают, что случилось нечто страшное, когда дисплей дозиметра показывает хотя бы двукратное превышение естественного фона - и в то же время с удовольствием ездят поправлять здоровье на радоновые источники, где фон может быть превышен в десять и более раз. Большие дозы ионизирующего излучения излечивают больных смертельными заболеваниями - и в то же время человек, случайно попавший в поле излучения, однозначно приписывает ухудшение своего здоровья (если такое ухудшение вообще произошло) действию радиации.» ("Радиация в медицине" , Ю.С.Коряковский, А.А. Акатов, Москва, 2009г.)
Статистика смертности говорит о том, что каждый третий житель Европы умирает от различного рода раковых заболеваний.
Одним из основных методов лечения злокачественных опухолей является лучевая терапия, которая необходима примерно для 70% онкологических больных, тогда как в России ее получают только около 25% нуждающихся. ()

На основе всех накопленных данных, можно смело утверждать: проблема радиации при освоении космоса сильно преувеличена и дорога к освоению космического пространства для человечества открыта.

P.S. Статья была опубликована в профессиональном журнале "Атомная стратегия" , а перед этим на сайте журнала была оценена рядом специалистов. Вот наиболее информативный комментарий полученный там: "Что такое космическое излучение. Это излучение Солнечное + Галактическое. Солнечное во много раз интенсивней Галактического, особенно в период солнечной активности. Именно оно определяет основную дозу. Его компонентный и энергетический состав – протоны (90%) и остальное менее существенное(электр., гамма,…). Энергия основной доли протонов- от кэВ до 80-90 МэВ. (Есть и высокоэнергетический хвост, но это уже доли проц.) Пробег 80 МэВ-ного протона ~7 (г/см^2) или около 2,5 см алюминия. Т.е. в стенке космического корабля толщиной 2,5-3 см они полностью поглощаются. Хотя протоны генерируют в ядерных реакциях на алюминии нейтроны, но эффективность генерации небольшая. Таким образом, мощность дозы за обшивкой корабля достаточно высокая (т.к. коэффициент конверсии поток-доза для протонов указанных энергий очень большой). А внутри уровень вполне приемлемый, хотя и повыше, чем на Земле. Вдумчивый и дотошный читатель сразу ехидно спросит – А как же в самолете. Ведь там мощность дозы намного выше, чем на Земле. Ответ – правильно. Объяснение простое. Высокоэнергетические солнечные и галактические протоны и ядра взаимодействую с ядрами атмосферы (реакции множественного рождения адронов), вызывают адронный каскад (ливень). Поэтому высотное распределение плотности потока ионизирующих частиц в атмосфере имеет максимум. То же самое и с электрон-фотонным ливнем. Адронный и e-g ливни развиваются и гасятся в атмосфере. Толщина атмосферы ~80-100 г/см^2 (эквивалентно 200 см бетона или 50 см железа.) А в обшивке вещества недостаточно для образования хорошего ливня. Отсюда кажущийся парадокс – чем больше толщина защиты корабля, тем выше мощность дозы внутри. Поэтому лучше тонкая защита, чем толстая. Но! 2-3 см защита обязательна (ослабляет дозу от протонов на порядок). Теперь по цифрам. На Марсе дозиметр Кьюриосити набрал около 1 Зв за почти год. Причина достаточно высокой дозы – дозиметр не имел тонкого защитного экрана, о котором говорилось выше. Но все таки, много или мало 1 Зв? Смертельно ли? Пара моих друзей ликвидаторов набрали каждый около 100 Р (разумеется по гамма, а в пересчете на адроны – где-то около 1 Зв). Чувствуют себя лучше, чем мы с вами. Не инвалиды. Официальный подход по нормативным документам. - С разрешения территориальных органов госсаннадзора можно за год получить планируемую дозу 0,2 Зв. (Т.е. сопоставимо с 1 Зв). А прогнозируемый уровень облучения, при которых необходимо срочное вмешательство – 1Гр на все тело(это поглощенная доза, приблизительно равная 1 Зв по эквивалентной дозе.) А на легкие - 6 Гр. Т.е. для получивших на все тело дозу менее 1 Зв и не требуется вмешательства. Так, что не так и страшно. Но лучше, конечно, такие дозы не получать. "

КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см2 за 1с.

Оно состоит из:

протонов – 91%

α-частиц – 6,6%

ядер других более тяжелых элементов – менее 1%

электронов – 1,5%

рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения

солнечного излучения.

Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.

По современным представлениям главным источником космического излучения высоких энергий являются взрывы сверхновых звезд. По данным, полученным с помощью принадлежащего NASA орбитального рентгеновского телескопа, были получены новые доказательства того, что значительный объем космического излучения, постоянно бомбардирующего Землю, произведен ударной волной, распространяющейся после взрыва сверхновой звезды, который был зарегистрирован еще в 1572 году. Судя по наблюдениям рентгеновской обсерватории «Чандра», останки сверхновой звезды продолжают разбегаться со скоростью более 10 миллионов км/ч, производя две ударные волны, сопровождаемые массированным выделением рентгеновского излучения. Причем, одна волна движется наружу, в межзвездный газ, а вторая – внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также утверждать, что значительная доля энергии «внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.

Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.

Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) - электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5·1014-3·1016 Гц). Термин происходит от лат. ultra - сверх, за пределами и фиолетовый. Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле - Солнце.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м).Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·1016 до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005-10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткое рентгеновское излучение обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

Реликтовое излучение (лат. relictum - остаток), космическое микроволновое фоновое излучение (от англ. cosmic microwave background radiation) - космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Гамма-всплеск - масштабный космический выброс энергии взрывного характера, наблюдаемый в отдалённых галактиках в самой жёсткой части электромагнитного спектра. Гамма-всплески (ГВ) - наиболее яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной. Продолжительность типичного ГВ составляет несколько секунд, тем не менее он может длиться от миллисекунд до часа. За первоначальным всплеском обычно следует долгоживущее «послесвечение», излучаемое на более длинных волнах (рентген, УФ, оптика, ИК и радио).

Большинство наблюдаемых ГВ предположительно представляет собой сравнительно узкий луч мощного излучения, испускаемого во время вспышки сверхновой, когда быстро вращающаяся массивная звезда коллапсирует, превращаясь либо в нейтронную звезду, либо в кварковую звезду, либо в чёрную дыру. Подкласс ГВ - «короткие» всплески - по-видимому происходят от другого процесса, возможно, при слиянии двойных нейтронных звёзд.

Источники ГВ находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от Земли, что означает их чрезвычайную мощность и редкость. За несколько секунд вспышки высвобождается столько энергии, сколько Солнцем выделяется за 10 миллиардов лет. За миллион лет в одной галактике обнаруживаются лишь несколько ГВ. Все наблюдаемые ГВ происходят за пределами галактики Млечный путь, кроме явления родственного класса, мягких повторяющихся гамма-всплесков, которые ассоциируются с магнетарами Млечного пути. Имеется предположение, что ГВ, произошедший в нашей галактике, мог бы привести к массовому вымиранию всего живого на Земле.

ГВ впервые был случайно зарегистрирован 2 июля 1967 года американскими военными спутниками «Vela».

Чтобы объяснить процессы, которые могут порождать ГВ, были построены сотни теоретических моделей, таких как столкновения между кометами и нейтронными звёздами. Но данных для подтверждения предложенных моделей было недостаточно, пока в 1997 не зарегистрировали первое рентгеновское и оптическое послесвечения, и определили их красное смещение прямым измерением с помощью оптического спектроскопа. Эти открытия и последующие исследования галактик и сверхновых, ассоциированных с ГВ, помогли оценить яркость и расстояния до ГВ, окончательно разместив их в отдалённых галактиках и связав ГВ со смертью массивных звёзд. Тем не менее процесс исследования ГВ ещё далеко не закончен и остаётся одной из самых больших загадок астрофизики. Неполной является даже наблюдательная классификация ГВ на длинные и короткие.

ГВ регистрируются приблизительно раз в день. Как было установлено в советском эксперименте «Конус», который осуществлялся под руководством Е. П. Мазеца на космических аппаратах «Венера-11», «Венера-12» и «Прогноз» в 1970-е годы, ГВ с равной вероятностью приходят с любого направления, что, вместе с экспериментально построенной зависимостью Log N - Log S (N - количество ГВ, дающих около Земли поток гамма-излучения больший или равный S), говорило о том, что ГВ имеют космологическую природу (точнее, связаны не с Галактикой или не только с ней, но происходят во всей Вселенной, причём мы их видим из удалённых участков Вселенной). Направление на источник оценивалось с помощью метода триангуляции.

Это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность Земли из мирового пространства и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия излучения с атомами воздуха.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц, которые приходят на земную поверхность из разных областей всемирного пространства. Оно образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит из протонов (92%), альфа-частиц (7%), ядер атомов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др. (1%). Первичное космическое излучение отличается большой проникающей способностью. Космические излучения подразделяются по происхождению на внегалактические, галактические и солнечные.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики, энергия их чрезвычайно высокая - до 1019 эВ. Солнечное излучение возникает в основном при вспышках на Солнце, которые происходят с характерным 11-летним циклом. Энергия их не превышает 40 МэВ. Оно не приводит к заметному увеличению дозы излучения на поверхности Земли. Средняя энергия космических лучей 1010 эВ, поэтому они губительны для всего живого. Атмосфера служит своеобразным щитом, предохраняющим биологические объекты от воздействия космических частиц, поэтому лишь немногие частицы достигают поверхности Земли.

При взаимодействии космических частиц с атомами элементов, находящихся в атмосфере возникает вторичное космическое излучение . Оно состоит из мезонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов, гамма- квантов, т.е. из практически всех известных в настоящее время частиц.

Первичные космические лучи, врываясь в атмосферу, постепенно теряют свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с ядрами атомов воздуха. Получаемые осколки, приобретая часть энергии первичной частицы, сами становятся факторами ионизации, разрушают и ионизируют другие атомы газов воздуха, т.е. превращаются в частицы вторичного космического излучения.

Вторичное космическое излучение возникает в результате электронно-фотонных и электронно-ядерных взаимодействий. При электронно-фотонном процессе заряженная частица взаимодействует с полем ядра атома, рождая фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных частиц, энергия которых не менее 3х109 эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом взаимодействии возникает ряд новых частиц - мезонов, протонов, нейтронов. Вторичное космическое излучение имеет максимум на высоте 20-30 км, на меньшей высоте процессы поглощения вторичного излучения преобладают над процессами его образования.

Интенсивность космического излучения зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Так как космические лучи в основном являются заряженными частицами, то они в районе над экватором отклоняются в магнитном поле и собираются в виде воронок в районах полюсов. В приполярных областях поверхности Земли достигают и частицы со сравнительно невысокой энергией (не нужно преодолевать магнитное поле), поэтому интенсивность космических излучений на полюсах возрастает за счет этих лучей. В экваториальной области поверхности достигают лишь частицы, которые обладают максимальными энергиями, способными преодолеть отклоняющее влияние магнитного поля. Средняя мощность дозы космического излучения жителей Земли приблизительно равна
0,3 мЗв/год, а на уровне Лондон-Москва-Нью-Йорк достигает 0,5 мЗв/год.

Вокруг Земли есть области (слои), в которых магнитное поле задерживает огромное количество заряженных частиц и заставляет их двигаться взад и вперед от полюса к полюсу в разных направлениях по замкнутым траекториям. Это так называемые радиационные пояса, или пояса Ван-Аллена. Различают два пояса: внешний и внутренний. Внутренний имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте около 3500 км, внешний слой - электронный - на высоте около 22000 км. Радиационные пояса Земли - источник радиационной опасности при космических полетах.

Мощность космического излучения зависит также и от высоты над уровнем моря. На больших высотах она выше по причине разряжения атмосферы (воздух играет роль защитного экрана). Обитаемые области Земли, расположенные на высоте 4500 м, испытывают дозу космического излучения до 3 мЗв/год, а на вершине Эвереста (8848 м над уровнем моря) доза составляет 8 мЗв/год.

В среднем интенсивность космических лучей за пределами атмосферы составляет около 2-х частиц на 1см2 в секунду. Эта величина почти не зависит от времени года, сезона, суток. Это значит, что интенсивность их постоянна и не связана с движением Земли вокруг Солнца, вокруг оси, а значит основная часть космических лучей вне солнечного - галактического происхождения. Но в период максимальной солнечной активности поток космических излучений нарастает. Волновые излучения (в том числе и рентгеновские), возникающие во время вспышек на Солнце достигают поверхности Земли через 8-15 мин после того, как вспышка на поверхности Солнца становится видимой. Корпускулярные излучения (главным образом протоны и электроны) движутся со скоростью 500-700 км/с и достигают Земли приблизительно через сутки. Каждая вспышка на Солнце влияет на человека, нервные окончания реагируют даже на ничтожные энергии, причем колебания магнитного поля очень сильно действуют на больных.

Тамбовское областное государственное общеобразовательное учреждение

Общеобразовательная школа – интернат с первоначальной летной подготовкой

имени М. М. Расковой

Реферат

«Космическое излучение»

Выполнил: воспитанник 103 взвода

Краснослободцев Алексей

Руководитель: Пеливан В.С.

Тамбов 2008 г

1. Вступление.

2. Что такое космическое излучение.

3. Как возникает космическое излучение.

4. Воздействие космического излучения на человека и окружающую среду.

5. Средства защиты от космического излучения.

6. Образование Вселенной.

7. Заключение.

8. Библиография.

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Человек не останется вечно на земле,

но в погоне за светом и пространством,

сначала робко проникнет за пределы

атмосферы, а затем завоюет себе всё

околосветное пространство.

К. Циолковский

XXI век – век нанотехнологий и гигантских скоростей. Наша жизнь течет беспрестанно и неминуемо, и каждый из нас стремится идти в ногу со временем. Проблемы, проблемы, поиски решений, огромный поток информации со всех сторон… Как со всем этим справиться, как найти свое место в жизни?

Попробуем остановиться и задуматься…

Психологи утверждают, что человек может бесконечно долго смотреть на три вещи: огонь, воду и звездное небо. Действительно, небо всегда привлекало человека. Оно удивительно красиво на восходе и закате солнца, оно кажется безгранично голубым и глубоким днем. И, глядя на пролетающие невесомые облака, наблюдая за полетами птиц, хочется оторваться от повседневной суеты, подняться в небо и почувствовать свободу полета. А звездное небо темной ночью… как оно загадочно и необъяснимо прекрасно! И как хочется приоткрыть завесу таинственности. В такие минуты ты ощущаешь себя маленькой частицей огромного, пугающего и все же непреодолимо манящего тебя пространства, которое носит название Вселенной.

Что такое Вселенная? Как она возникла? Что таит она в себе, что приготовила для нас: «всемирный разум» и ответы на многочисленные вопросы или гибель человечества?

Вопросы возникают нескончаемым потоком.

Космос… Для обычного человека он кажется недосягаемым. Но, тем не менее, воздействие его на человека постоянно. По большому счету именно космическое пространство обеспечило те условия на Земле, которые привели к зарождению привычной для нас с вами жизни, а значит и появлению самого человека. Влияние космоса в значительной степени ощутимо и сейчас. «Частицы вселенной» доходят до нас сквозь защитный слой атмосферы и оказывают воздействие на самочувствие человека, его здоровье, на те процессы, которые протекают в его организме. Это для нас, живущих на земле, а что говорить о тех, кто осваивает космическое пространство.

Меня заинтересовал такой вопрос: что такое космическое излучение и каково его влияние на человека?

Я учусь в школе-интернате с первоначальной летной подготовкой. К нам приходят мальчишки, которые мечтают покорить небо. И первый шаг к осуществлению своей мечты они уже сделали, оставив стены родного дома и решившись прийти в эту школу, где изучаются основы полетов, конструкции летательных аппаратов, где у них есть возможность каждый день общаться с людьми, неоднократно поднимавшимися в небо. И пусть это пока только самолеты, которые не могут в полной мере преодолеть земное притяжение. Но ведь это только первый шаг. Судьба и жизненный путь любого человека начинается с маленького, робкого, неуверенного шажка ребенка. Кто знает, может быть, кто-то из них сделает второй шаг, третий… и будет осваивать космические летательные аппараты и поднимется к звездам в безграничные просторы Вселенной.

Поэтому для нас этот вопрос достаточно актуален и интересен.

2. ЧТО ТАКОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?

Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см 2 за 1с. Оно состоит из:

• протонов – 91%
• α-частиц – 6,6%
• ядер других более тяжелых элементов – менее 1%
• электронов – 1,5%
• рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения
• солнечного излучения.

Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.

Среднее значение энергии космических частиц около 10 4 МэВ, а энергия отдельных частиц – 10 12 МэВ и более.

3. КАК ВОЗНИКАЕТ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?

движется наружу, в межзвездный газ, а вторая –

внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также

утверждать, что значительная доля энергии

«внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.

Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.

Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.

4. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Результаты исследования, проведенного сотрудниками университета Софии Антиполис в Ницце, показывают, что космическое излучение сыграло важнейшую роль в зарождении биологической жизни на Земле. Давно известно, что аминокислоты способны существовать в двух формах – левосторонней и правосторонней. Однако на Земле в основе всех биологических организмов, развившихся естественным образом, находятся только левосторонние аминокислоты. По мнению сотрудников университета, причину следует искать в космосе. Так называемое циркулярно-поляризованное космическое излучение разрушило правосторонние аминокислоты. Циркулярно-поляризованный свет – это форма излучения, поляризуемая космическими электромагнитными полями. Такое излучение образуется, когда частицы межзвездной пыли выстраиваются вдоль линий магнитных полей, пронизывающих всё окружающее пространство. На циркулярно-поляризованный свет приходится 17% всего космического излучения в любой точке космоса. В зависимости от стороны поляризации такой свет избирательно расщепляет один из типов аминокислот, что подтверждается экспериментом и результатами исследования двух метеоритов.

Космическое излучение является одним из источников ионизирующего излучения на Земле.

Природный радиационный фон за счет космического излучения на уровне моря составляет 0,32 мЗв в год (3,4 мкР в час). Космическое излучение составляет лишь 1/6 часть годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением. Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей. Так Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы. Кроме того, чем выше от поверхности земли, тем интенсивнее космическое излучение. Так, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз больше, чем те, кто живет на уровне моря. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота проживания людей) до 12000 м (максимальная высота полета пассажирского транспорта) уровень облучения возрастает в 25 раз. А за 7,5 часа полета на обычном турбовинтовом самолете полученная доза облучения составляет примерно 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта население Земли получает в год дозу облучения около 10000 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв в год, а в Северной Америке примерно 10 мкЗв.