Радиационная безопасность в космосе

  Космический “ТОКАМАК”.   

 На 1-м советском  искусственном спутнике Земли  не было никакой научной аппаратуры, за исключением, пожалуй, самого  радиопередатчика, посылавшего первые  рукотворные сигналы с орбиты. Радиоволны передатчика “просвечивали”  ионосферу Земли, предоставляя  учёным сведения о распределении  плотности ионизированной оболочки  Земли. 
    Но уже на 2-м советском спутнике стояла специальная аппаратуры (это были простые газоразрядные счётчики) для изучения космических лучей. Эти приборы создал Сергей Вернов с сотрудниками из Московского университета. По сути, эта была первая в мире научная аппаратуры, запущенная человеком в космическое пространство. Какие задачи выполняла эта аппаратура? 
    Будучи “космиком”, С. Вернов, естественно, поставил задачу исследования космических лучей за пределами атмосферы. Что можно было ожидать из этих измерений? 
    Поток космических лучей должен возрастать по мере удаления от Земли из-за существования магнитного поля. Помимо этого, должна наблюдаться широтная зависимость потока: вблизи полюсов его величина должна быть больше, чем в районе экватора. Должен меняться и состав космических лучей, т.к. измерения проводятся вне атмосферы, где нет вторичных частиц. Пожалуй, всё… 
    Спутник был запущен в канун праздника, дня Революции. И уже на первых витках он зарегистрировал нечто необычное – поток частиц не следовал широтной зависимости, испытывая сильные флуктуации. Что бы это могло быть? “Взглянув” на Солнце, учёные обнаружили проявление солнечной активности – как раз в это время наблюдалась вспышка. Естественно было предположить вторжение солнечных частиц в окрестности Земли (рис. 15.1).

 Вслед за  С. Верновым, американский учёный Дж. Ван-Аллен для изучения космических лучей установил на первом американском искусственном спутнике Земли “Эксплорер-1” такой же газоразрядный детектор, как и на 2-м советском спутнике.

 Каково же  было удивление американских  учёных, которые, взглянув на первую  полученную информацию, обнаружили, что их счётчик “захлёбывался”  от большого потока частиц. Один  из сотрудников Дж. Ван-Аллена, Э. Рэй даже воскликнул: “Боже мой, ведь космос радиоактивен!” (рис. 15.2). 
    Американские специалисты поняли, что они обнаружили что-то необычное. Интерпретация последовала довольно быстро: это авроральные частицы, которые приходят от Солнца и внедряются в высокоширотные области, вызывая полярные сияния. 
    Это была настоящая драма первооткрывателей космоса. И С. Вернов и Дж. Ван-Аллен столкнулись, на самом деле, с совершенно новым природным явлением – захваченными в магнитное поле Земли потоками заряженными частицами с большими энергиями. Позднее это явление было названо радиационными поясами. Однако в первых экспериментах они этого не осознали.  
    Понимание нового явления пришло немного позднее, спустя несколько месяцев, когда был запущен 3-ий советский спутник с обширным набором экспериментальной аппаратуры, позволивший детально исследовать пространственные распределения частиц на больших высотах; когда Ф. Зингер (учёный не из группы Дж. Ван-Аллена) опубликовал статью, правильно интерпретировавший американские результаты и когда появился первый механизм для объяснения существования гигантской ловушки для заряжённых частиц.  
    Так часто бывает в науке, когда изначальная цепь эксперимента приводит совершенно к другим результатам. А интерпретация полученных результатов порой находится под прессом существующих представлений.  
    Подробное рассмотрение радиационных поясов выходит за рамки данной книги. Здесь мы ограничимся лишь общими сведениями о них, необходимых для нашего дальнейшего изложения.

 Итак, что  же такое радиационные пояса  Земли? Взгляните на рис. 15.3. Гигантский  тор заряженных частиц с энергиями от самых малых – “плазменных” - в десятки-сотни кэВ, до энергий в ГэВ’ы, т.е. сопоставимых с энергиями космических лучей. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитной ловушке, совершают 3 характерных вида движений, в результате которых (см. рис. 15.4) собственно и “рождаются” их долгоживущие потоки. Это вращательное движение частиц вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение с радиусом, определяемым жёсткостью частиц), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Времена этих видов движения сильно отличаются: от долей секунды для ларморовского движения и доходит до часа для азимутального дрейфа.

 Что напоминает  эта картина? 
    …Вскоре после успешной реализации атомного проекта и у нас в СССР и в США учёные приступили к решению проблемы создания термоядерного реактора. Для этого надо было создать условия для устойчивого удержания плазмы. Это можно сделать с помощью магнитного поля. Было предложено много различных видов магнитных ловушек, среди них – “ТОКАМАК”. До сих пор термоядерный реактор не реализован. Проблема удержания плазмы оказалась более сложной, чем это представлялось в начале исследований… Природа создала то, что не удалось пока сделать человеку. Внутри магнитного поля Земли реализуются условия для устойчивого захвата заряженных частиц.

 Откуда же  появились частицы радиационных  поясов?  
    Безусловно, космические лучи ответственны за появление частиц радиационных поясов, но сами они не могут быть захваченными, - по крайней мере, в течение длительного времени. Здесь уместно отметить, что “время жизни” – протонов с энергиями в сотни МэВ и более в самой ближней к Земле области поясов достигает сотен лет! 
    Оказывается космические лучи (протоны), достигая атмосферы и взаимодействуя с ней, образуют вторичные частицы – продукты ядерных реакций. Среди них есть нейтроны, часть которых летит в космическое пространство. Нейтроны – нестабильные частицы. Их время жизни ~15 мин. Они распадаются по уже известной читателю схеме их распада:

n

 Как мы  видим, продукт распада – заряженные  частицы – протоны и электроны.  Они и являются частицами, пополняющими  радиационный пояс.  
    Этот был первый механизм образования поясов, предложили С. Вернов и А. Лебединский сразу после их открытия в 1958 г. (см. рис. 15.5).

Однако, оказалось, что этот механизм, связанный с  генерацией нейтронов (нейтронов альбедо) космическими лучами, не может обеспечить заполнения частицами всех радиационных поясов.

Необходимо было найти другие. Конечно, взоры исследователей обратились к солнечному ветру –  постоянному потоку плазмы в межпланетной среде. Но… эти частицы, во-первых, каким-то образом должны проникнуть внутрь магнитосферы, а во-вторых –,значительно  увеличить свою энергию. Ведь энергия  частиц солнечной плазмы (~1 кэВ) значительно  меньше энергии частиц радиационных поясов. Вкратце, картина заполнения магнитосферы частицами солнечного ветра и их ускорения выглядит следующим образом. 
    Та доля частиц солнечного ветра, которая “сумела просочиться” внутрь магнитного поля, заполняет внешние области: между ударной волной и границей магнитосферы, хвост магнитосферы, полярные области… (см. рис. 13.6).  
    Особенно активную роль в пополнении частицами радиационных поясов выполняет хвост магнитосферы. Во время магнитных бурь именно здесь происходят мощные деформации магнитного поля, приводящие к генерации индукционных электрических полей, которые и ускоряют частицы солнечной плазмы. Часть этих частиц, уже ускоренных в хвосте, достигает внешних границ радиационного пояса и здесь начинается другой процесс, процесс их переноса внутрь, в направлении Земли. “Движущей силой” этого процесса также является солнечный ветер, вернее, его флуктуации: как крупномасштабные (типа СМЕ), так и более слабые, практически постоянно существующие в межпланетной среде. Флуктуации солнечного ветра создают колебания магнитного поля Земли, которые, собственно, и “загоняют” частицы внутрь магнитной ловушки. В процессе их переноса к Земле, они ещё больше увеличивают свою энергию. 
    Итак, уже два источника – космические лучи высокой энергии и солнечная плазма могут пополнять радиационные пояса. 
    Но это ещё не все источники.

 Велико было  удивление учёных в начале 70-х  годов, когда среди частиц во  внутренней магнитосфере они  увидели частицы земного происхождения  – ионосферные! Как отличили  эти частицы от солнечных? С  помощью приборов, которые разделяют  частицы по их энергиям, массе  и заряду. В ходе экспериментов  на спутниках было обнаружено, что ионосфера “фонтанирует”  в окружающее пространство кислород (рис. 15.6). Причём этот кислород  имеет заряд 1+ - он слабоионизирован, в отличие от солнечного, который  полностью, как говорят, “ободран”  – у него отсутствуют электронные  оболочки. Солнечный кислород (по  существу, - это голые ядра) имеет  заряд 8+. Так отличили солнечное  вещество от земного. Таким  образом, был обнаружен ещё  один источник частиц радиационных  поясов – ионосферный. 
    А в начале 90-х годов нашли ещё один – межзвёздное вещество. Уже упоминалось об аномальной компоненте космических лучей. Эти частицы (кислород, гелий, неон и др.) с энергией ~10-20 МэВ/нукл имеют заряд, близкий к 1+ и, следовательно, большую жёсткость. Такие частицы не могут захватываться магнитной ловушкой: слишком велик у них радиус кривизны их траекторий в магнитном поле. Однако был предложен механизм, который получил экспериментальные подтверждения, обеспечивающий заполнение радиационного пояса частицами межзвёздного вещества.

 Этот механизм  состоит в следующем (рис. 15.7). АКЛ проникают в глубь магнитосферы  и в верхних слоях атмосферы  происходит их перезарядка на  нейтральных атомах атмосферы.  В результате их заряд увеличивается,  радиус кривизны траектории резко  уменьшается и, тем самым, обеспечиваются  условия для устойчивого захвата.  Такой пояс действительно был  обнаружен в ходе отечественных  экспериментах на спутниках серии  “Космос”. Оказалось, что он располагается  на расстояниях, немного превышающих  2 радиуса Земли (R_З) от её поверхности (в плоскости экватора).

Однако этим механизмом не ограничивается роль галактических  космических лучей в формировании радиационного окружения Земли. Дело в том, что первичная компонента ГКЛ, взаимодействуя с атмосферой, генерирует поток вторичных мезонов (нейтральных  пи-мезонов ( ⁰)). Эти частицы –короткоживущие и распадаются на мю-мезоны ( ) и электроны. Некоторая часть этих электронов может выходить вверх, в открытый космос, создавая альбедный поток (см. рис. 15.5). Расчёты показывают, что энергия этих электронов достигает сотен МэВ, и они создают на малых высотах своеобразный ореол альбедных частиц вокруг Земли, внося дополнительный вклад в радиационное окружение Земли. 
    В целом, радиационные пояса заполняют довольно обширную область вокруг Земли – их внешняя граница расположена на расстоянии до ~7R_З (рис. 15.3). Эта зона поясов заполнена менее энергичными частицами по сравнению с внутренней. Именно во внутренней зоне, на расстоянии менее 2.5R_З обнаружены протоны с энергиями до 1 ГэВ. Во внешней зоне энергии протонов не превышают МэВ’ов. Магнитная ловушка, помимо протонов, заполнена многими другими ядрами, а также электронами. Энергия электронов в поясах достигает релятивистских энергий – несколько МэВ. 
   Мы познакомились с радиационными поясами Земли. История их открытия и последующие исследования – яркий пример успешного решения научной проблемы, во многом базирующейся на физике плазмы. Этому значительно способствовали интеллектуальный потенциал учёных, полученный в ходе реализации атомного проекта и начального периода термоядерных исследований, а также космические исследования, которые были особенно интенсивными в начальном периоде космической эры.

 Несмотря  на свою короткую жизнь, нейтроны, безусловно, присутствуют в межзвёздной  среде, Галактике и в Солнечной  системе. Но зарегистрировать  мы можем лишь те, которые рождаются  близко от нас. Где? 
    Солнце – мощный источник многих элементарных частиц ядер и, конечно, нейтронов. Последние образуются в результате ядерных реакций СКЛ с веществом солнечной короны. Однако наблюдать нейтроны от Солнца достаточно трудно. В первую очередь, дело в том, что из-за короткого времени жизни лишь небольшая часть их достигает Земли. А те, которые всё же попадают в атмосферу, начинают взаимодействовать с ядрами воздуха, превращаясь вновь в другие частицы. И всё же шансы их зарегистрировать специальными детекторами есть.  
    Во время мощных солнечных событий самые энергичные электроны могут достичь окрестности Земли, и приборы на спутниках могут их зарегистрировать. Но приборы должны быть очень чувствительны к нейтронам приходящим именно от Солнца. А этому мешает сам спутник, точнее те конструкционные материалы, из которого он построен. Оказывается, чем тяжелее (массивнее) спутник, тем больше образуется нейтронов местного, локального происхождения как результат взаимодействия заряжённых космических частиц с материалом, из которого сделан аппарат. Поэтому нейтронный детектор будет “захлёбываться” от избытка лишних, локальных нейтронов, рождённых самим спутником. Однако, если поток солнечных нейтронов достаточно мощный и эксперимент проводится на достаточно лёгком спутнике, шанс зарегистрировать солнечные частицы есть. И это было сделано уже много раз.

 Солнечные  нейтроны несут важную информацию  о генерации частиц на Солнце. Ведь они, будучи нейтральными, не следуют вдоль спиралей  Архимеда межпланетного магнитного  поля как заряженные частицы,  а летят по прямым траекториям.  Этот путь требует меньшего  времени и может дать информацию  учёным о начале и месте  инжекции частиц на Солнце, а  заодно и сведения о параметрах  вещества солнечной короны, где  они сами и рождаются.  
    А есть ли шансы зарегистрировать учёным солнечные нейтроны на Земле? Шансов ещё меньше, чем в космосе. Этому мешает атмосфера, в толще которой должны погибнуть эти частицы. Однако во время очень мощных извержений (так, например, было в конце октября 2003 г.) на наземной станции, обращённой к Солнцу, в районе полудня был зарегистрирован сигнал о приходе солнечных нейтронов с очень высокой (~100 МэВ) энергией. В этом был элемент везения: если бы извержение произошло раньше или позже, солнечным нейтронам пришлось бы преодолевать значительно большую толщу атмосферы, и они вряд ли достигли бы поверхности Земли. Именно поэтому события, связанные с приходом солнечных нейтронов, чрезвычайно трудно экспериментально исследовать.  
    Уже рассказывалось об альбедных нейтронах в окружающей космической среде. Это те частицы, которые являются продуктами ядерных реакций космических лучей с атмосферой. Они вылетают из атмосферы и создают дополнительный радиационный “фон” в ближнем космосе. 
    Поэтому космический аппарат, запущенный в ближний космос, испытывает тройную радиационную нагрузку от нейтронов. Среди них локальные, альбедные, а иногда, и солнечные (рис.15.8)

 Перед первым  полётом в космос человека, вопросы  радиационной безопасности тщательно  изучались. В космосе были проведены  эксперименты по определению  доз радиации на предполагаемых  орбитах. Оказалось, что на  орбитах 300-400 км (именно на таких  орбитах летают пилотируемые  космические корабли) потоки радиации  сравнительно невелики. Так, по  данным приборов, установленных  внутри орбитальной станции “Мир”,  дозы радиации изменялись в  довольно широких пределах: от 100 и до 800 мкГрей (10^-6Гр) в сутки, что является допустимой величиной для человека, но всё же это больше, чем получает персонал атомных станций в нормальных условиях. 
    Эта величина создаётся, в основном, за счёт частиц радиационных поясов, причём лишь в одном месте: в районе Южной Атлантики. Именно здесь 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 (рис. 16.1) на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.

 Однако впоследствии  оказалось, что район радиационной  аномалии “дышит”. Периодичность  дыхания аномалии – изменение  потоков частиц – соответствуют  циклу солнечной активности: в  минимуме активности потоки увеличиваются,  а в максимуме, наоборот, уменьшаются.  Казалось бы, парадокс? В годы, когда  наше светило с особой щедростью  извергает в пространство мощные  потоки солнечной плазмы и  частиц, радиационная аномалия…  затихает. Это – так. И происходит  это за счёт поглощения частиц  поясов атмосферой, которая нагревается  и охлаждается в соответствии  с активностью Солнца. В годы  максимума она разогревается,  плотность её частиц на орбите  пилотируемых кораблей увеличивается.  В эти периоды времени частицы  радиационных поясов начинают  всё чаще и чаще сталкиваться  с молекулами, атомами атмосферы  и терять свою энергию. Они  прекращают свою жизнь как  энергичные частицы радиационных  поясов. В годы минимума наблюдается обратная картина: потоки и дозы радиации значительно увеличиваются. 
    Однако магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы (вспомнили? – вплоть до ГэВ’ов), 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. Депрессия магнитного поля во время бурь уменьшает минимальный порог обрезания по жёсткости СКЛ, позволяя им проникать на низкие широты. С другой стороны, влияние географического положения космического аппарата относительно начала возрастания солнечных частиц – действительно немаловажный фактор. Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.  
    Выше рассказано о возможной опасности, которую может вызвать космическая радиация. Насколько защищены от радиации космические станции, спутники и сами космонавты? Давайте рассмотрим эту проблему на примере некоторых наиболее сильных проявлений солнечной активности.  
    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 (для биологических объектов целесообразней использовать биологические эквиваленты доз в единицах, учитывающих различие в степени поглощения различных видов излучений в биологических тканях (см. словарь терминов в конце книги)). 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. 
    В таблице 1 приводятся значения доз радиации, приводящих к возникновению определённых радиационных эффектов.

Таблица 16.1. Таблица радиационных рисков

 Несколько  Зивертов – громадная доза. Однако  и эта доза, если она получена  человеком не мгновенно, а постепенно, может и не привести к неблагоприятному  исходу. К тому же, не надо забывать  о возможной медицинской помощи  в случае радиационного заболевания.  
    Поэтому можно заключить, что радиационная среда на высотах орбитальных станций при самых неблагоприятных гелиофизических условиях, вряд-ли может привести к последней черте – дозам в несколько Зв.  
    Теперь посмотрим какова радиационная обстановка подальше от нашей планеты.

 До сих  пор мы рассматривали относительно  малые высоты над Землей. Гораздо  более опасными с точки зрения  радиационного влияния оказываются  высоты выше “пилотируемых”  орбит. Здесь космонавты сейчас  не летают. Но эта область, вплоть  до 7R_З очень сильно “населена” автоматическими космическими аппаратами. Как они “выживают”? В основном за счёт применения специальной защиты для электроники, использования материалов наименее чувствительных к радиации. 
    Однако, проблема радиационной безопасности автоматических аппаратов всё же существует. Перед конструкторами стоит задача создания нового поколения околоземных спутников со сроком активного существования до 15 лет. Согласитесь, это – немало, больше, чем солнечный цикл. Такой аппарат должен в полной мере испытать на себе воздействие космических радиационных бурь.

 Помимо вторжения  СКЛ, радиационные бури создают  и частицы радиационных поясов  Последние испытывают значительные  пространственные и временные  изменения своих потоков во  время магнитных бурь и солнечных возмущений. 
    В качестве примера можно привести поведение релятивистских электронов в радиационных поясах. На рис. 16.2 показано “поведение” электронов во всей области поясов в течение одного года. Согласитесь, амплитуды их вариаций во время магнитных бурь очень значительны как по интенсивности, так и по пространству. Вы можете видеть, что во время бурь потоки частиц “сползают” ближе к Земле, заполняя ранее пустовавшие области захваченной радиации.  
    Обнаружено, что их потоки сильно увеличиваются во время магнитных бурь и в периоды увеличения скорости солнечного ветра. Они создают реальную угрозу спутникам, находящихся в зоне всплесков их потока. Подчас это заканчивается весьма плачевно для спутников. Уже отмечено довольно много случаев, когда выход из строя отдельных систем спутников или даже прекращение их функционирования связан с резким усилением потока релятивистских электронов. Представьте себе мощный поток электронов с энергией в несколько МэВ, способный насквозь пробить оболочку спутника и создать большой поток вторичного тормозного излучения, состоящего из низкоэнергичных гамма-квантов.  
    Электроника спутника может не выдержать…

 Один из  эффектов воздействия энергичных  электронов показан на рис. 16.3. Электронный пучок таких частиц, проникая внутрь неметаллических  конструкций (например, пластика) вызывает  в нём внутренний электрический  пробой. Внутри образуется повреждения  – очень красивая фигура Лихтенберга.  Можно, представить последствия  воздействия такой “красоты”  на бортовую электронику спутника, где довольно много пластиковых  деталей. Недаром энергичные электроны  назвали киллерами спутников. 
    На рис. 16.4 наглядно демонстрируется связь наблюдающихся аномалий функционирования спутника и изменения потока релятивистских электронов. Спутники терпят бедствия, когда в космосе появляются мощные потоки этих частиц. 
    Именно потому, что радиация в космосе является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на выполнение полётных заданий – будь то экипаж или сам космический корабль, ей уделяется особое внимание ещё на этапе проектирования. Помимо поиска и применения различных радиационностойких защитных материалов, дублирования и даже “троирования” электроники, на борту практически всех космических аппаратов устанавливают дозиметрическую аппаратуру, которая позволяет операторам на Земле отслеживать радиационную обстановку в космосе и, если это необходимо, проводить изменения в полётном задании, чтобы минимизировать возможный ущерб. Иногда даже простое выключение энергопитания всего спутника или отдельных его систем позволяет сохранить ему жизнь.

 Радиационные  поля вокруг Земли создают  не только СКЛ и частицы  радиационных поясов. Ведь есть  ещё и частицы сверхвысоких  энергий – космические лучи. Их  поток очень мал по сравнению  с остальными компонентами космической  радиации. Казалось бы, что они  не могут представлять собой  угрозу космической технике и  живым организмам. Однако…