Уровень радиации в космосе. Про космос

Космос радиоактивен. Укрыться от радиации просто невозможно. Представьте себе, что вы стоите посреди песчаной бури, и вокруг вас постоянно кружит водоворот из мелких камешков, которые ранят вашу кожу. Примерно так выглядит космическая радиация. И эта радиация наносит немалый вред. Но проблема в том, что в отличие от камушков и кусочков земли ионизирующее излучение не отскакивает от человеческой плоти. Оно проходит сквозь нее, как пушечное ядро пробивает насквозь здание. И эта радиация наносит немалый вред.

На прошлой неделе ученые из медицинского центра при университете города Рочестера опубликовали результаты исследования, свидетельствующие о том, что длительное воздействие галактической радиации, которому могут подвергнуться астронавты, отправившиеся на Марс, способно повысить риск заболевания болезнью Альцгеймера.

Читая сообщения СМИ об этом исследовании, я начала любопытствовать. Мы отправляем людей в космос уже более полувека. Мы имеем возможность следить за целым поколением астронавтов - как эти люди старятся и умирают. И мы постоянно отслеживаем состояние здоровья тех, кто сегодня летает в космос. Научные работы, подобные осуществленным в университете Рочестера, проводятся на лабораторных животных, таких, как мыши и крысы. Они призваны помочь нам подготовиться к будущему. Но что мы знаем о прошлом? Повлияла ли радиация на людей, которые уже побывали в космосе? Как она воздействует на находящихся на орбите в данный момент?

Существует одно ключевое отличие астронавтов сегодняшнего дня от астронавтов будущего. Отличие это - сама Земля.

Галактическое космическое излучение, называемое иногда космической радиацией, это как раз то, что вызывает наибольшую тревогу у исследователей. Оно состоит из частиц и кусочков атомов, которые могли появиться в результате образования сверхновой звезды. Большая часть этого излучения, примерно 90%, состоит из протонов, оторванных от атомов водорода. Эти частицы летят через галактику почти что со скоростью света.

А потом они наносят удар по Земле. У нашей планеты имеется пара защитных механизмов, укрывающих нас от воздействия космической радиации. Во-первых, магнитное поле Земли отталкивает некоторые частицы, а некоторые полностью блокирует. Преодолевшие данный барьер частицы начинают сталкиваться с атомами, находящимися в нашей атмосфере.

Если вы сбросите вниз с лестницы большую башню, построенную из деталей конструктора «Лего», она разлетится на мелкие куски, которые будут отлетать от нее на каждой новой ступеньке. Примерно то же самое происходит в нашей атмосфере и с галактической радиацией. Частицы сталкиваются с атомами и распадаются на части, образуя новые частицы. Эти новые частицы снова обо что-нибудь ударяются и опять распадаются на части. С каждый шагом они теряют энергию. Частицы замедляются и постепенно слабеют. К тому времени, когда они «останавливаются» на поверхности Земли, у них уже нет того мощного запаса галактической энергии, какой они обладали прежде. Это излучение намного менее опасно. Маленькая деталь от «Лего» бьет намного слабее, чем собранная из них башня.

Всем тем астронавтам, которых мы отправляли в космос, защитные барьеры Земли во многом помогли, по крайней мере, частично. Об этом мне рассказал Фрэнсис Кучинотта (Francis Cucinotta). Он - научный руководитель программы НАСА по исследованию воздействия радиации на человека. Это как раз тот парень, который может рассказать, насколько вредна радиация для астронавтов. По его словам, за исключением полетов «Аполлона» на Луну, человек присутствует в космосе в пределах действия магнитного поля Земли. Международная космическая станция, например, находится выше атмосферы, но все равно в глубине первого эшелона обороны. Наши астронавты не подвергаются в полной мере воздействию космического излучения.

Кроме того, под таким воздействием они находятся довольно непродолжительное время. Самый длительный полет в космос продолжался чуть больше года. А это важно, потому что ущерб от радиации имеет кумулятивное действие. Ты рискуешь гораздо меньше, когда шесть месяцев проводишь на МКС, чем когда отправляешься (пока теоретически) в многолетнее путешествие на Марс.

Но интересно и довольно тревожно то, сказал мне Кучинотта, что даже имея все эти механизмы защиты, мы наблюдаем, как излучение негативно воздействует на астронавтов.

Очень неприятная вещь это катаракта - изменения в хрусталике глаза, вызывающие его помутнение. Поскольку через мутный хрусталик в глаз человека попадает меньше света, больные катарактой люди хуже видят. В 2001 году Кучинотта с коллегами изучил данные продолжающегося исследования состояния здоровья астронавтов и пришел к следующему выводу. Астронавты, подвергшиеся большей дозе радиации (потому что они совершили больше полетов в космос или из-за специфики их миссий*) имели больше шансов на развитие у них катаракты, чем те, у кого доза облучения была ниже.

Наверняка существует также повышенная опасность заболевания раком, хотя количественно и точно такую опасность проанализировать трудно. Дело в том, что у нас нет данных эпидемиологов о том, какому типу радиации подвергаются астронавты. Мы знаем количество заболевших раком после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, однако эта радиация несопоставима с галактическим излучением. В частности, Кучинотту больше всего беспокоят ионы ВВЧ - высокоатомных высокоэнергетических частиц.

Это очень тяжелые частицы, и перемещаются они очень быстро. На поверхности Земли мы не испытываем на себе их воздействие. Их отсеивают, тормозят и разбивают на части защитные механизмы нашей планеты. Однако ионы ВВЧ могут наносить больший вред и вред более разнообразный, чем то излучение, с которым радиологи хорошо знакомы. Мы знаем об этом, потому что ученые сравнивают пробы крови астронавтов до и после полета в космос.

Кучинотта называет это предполетной поверкой. Ученые берут образец крови у астронавта перед отправлением на орбиту. Когда астронавт находится в космосе, ученые делят взятую кровь на части и подвергают ее воздействию гамма-излучения различной степени. Это вроде той вредной радиации, с которой мы порой сталкиваемся на Земле. Затем, когда астронавт возвращается, они сравнивают эти подвергнутые гамма-излучению образцы крови с тем, что реально произошло с ним в космосе. «Мы отмечаем двух- трехкратную разницу у разных астронавтов», - сказал мне Кучинотта.

Орбиту Международной космической станции несколько раз поднимали, и сейчас ее высота составляет более 400 км. Это делалось для того, чтобы увести летающую лабораторию от плотных слоев атмосферы, где молекулы газов еще довольно заметно тормозят полет и станция теряет высоту. Чтобы не корректировать орбиту слишком часто, хорошо бы поднять станцию еще выше, но делать этого нельзя. Примерно в 500 км от Земли начинается нижний (протонный) радиационный пояс. Длительный полет внутри любого из радиационных поясов (а их два) будет гибельным для экипажей.

Космонавт-ликвидатор

Тем не менее нельзя сказать, что на высоте, на которой сейчас летает МКС, проблемы радиационной безопасности нет. Во‑первых, в районе Южной Атлантики существует так называемая Бразильская, или Южно-Атлантическая, магнитная аномалия. Здесь магнитное поле Земли как бы провисает, а с ним ближе к поверхности оказывается нижний радиационный пояс. И МКС его все-таки касается, пролетая в этом районе.

Во-вторых, человеку в космосе угрожает галактическое излучение — несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых или деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел. Часть этих частиц задерживается магнитным полем Земли (что является одним из факторов формирования радиационных поясов), другая часть теряет энергию в столкновении с молекулами газов в атмосфере. Что-то долетает и до поверхности Земли, так что небольшой радиоактивный фон присутствует на нашей планете абсолютно везде. В среднем проживающий на Земле человек, не имеющий дела с источниками радиации, ежегодно получает дозу в 1 миллизиверт (мЗв). Космонавт на МКС зарабатывает 0,5−0,7 мЗв. Ежедневно!

Радиационные пояса Земли представляют собой области магнитосферы, в которых накапливаются высокоэнергетичные заряженные частицы. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов, внешний — из электронов. В 2012 году спутником NASA был открыт еще один пояс, который находится между двумя известными.

«Можно привести интересное сопоставление, — говорит заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шуршаков. — Допустимой ежегодной дозой для сотрудника АЭС считаются 20 мЗв — в 20 раз больше, чем получает обычный человек. Для специалистов по ликвидации аварий, этих особым образом подготовленных людей, максимальная годовая доза составляет 200 мЗв. Это уже в 200 раз больше по сравнению с обычной дозой и… практически столько же, сколько получает космонавт, проработавший год на МКС».

В настоящее время медициной установлена максимальная предельная доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем. Это 1000 мЗв, или 1 Зв. Таким образом, даже работник АЭС с его нормативами может спокойно трудиться лет пятьдесят, ни о чем не беспокоясь. Космонавт же исчерпает свой лимит всего за пять лет. Но, даже налетав четыре года и набрав свои законные 800 мЗв, он уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.

«Еще одним фактором радиационной опасности в космосе, — объясняет Вячеслав Шуршаков, — является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. В момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко — 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают стохастически, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Я не помню такого, чтобы мы были бы заранее предупреждены нашей наукой о грядущем выбросе. Обычно дело обстоит по‑другому. Дозиметры на МКС вдруг показывают повышение фона, мы звоним специалистам по Солнцу и получаем подтверждение: да, наблюдается аномальная активность нашего светила. Именно из-за таких внезапно возникающих солнечных протонных событий мы никогда точно не знаем, какую именно дозу привезет с собой космонавт из полета».

Частицы, сводящие с ума

Радиационные проблемы у экипажей, отправляющихся на Марс, начнутся еще у Земли. Корабль массой 100 или более тонн придется долго разгонять по околоземной орбите, и часть этой траектории пройдет внутри радиационных поясов. Это уже не часы, а дни и недели. Дальше — выход за пределы магнитосферы и галактическое излучение в его первозданной форме, много тяжелых заряженных частиц, воздействие которых под «зонтиком» магнитного поля Земли ощущается мало.

«Проблема в том, — говорит Вячеслав Шуршаков, — что влияние частиц на критические органы человеческого организма (например, нервную систему) сегодня мало изучено. Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе. Пока не накоплено достаточно данных по существованию живых организмов за пределами магнитного поля Земли, отправляться в длительные космические экспедиции очень рискованно».

Когда специалисты по радиационной безопасности предлагают конструкторам космических аппаратов усилить биозащиту, те отвечают, казалось бы, вполне рациональным вопросом: «А в чем проблема? Разве кто-то из космонавтов умер от лучевой болезни?» К сожалению, полученные на борту даже не звездолетов будущего, а привычной нам МКС дозы радиации хоть и вписываются в нормативы, но вовсе не безобидны. Советские космонавты почему-то никогда не жаловались на зрение — видимо, побаиваясь за свою карьеру, но американские данные четко показывают, что космическая радиация повышает риск катаракты, помутнения хрусталика. Исследования крови космонавтов демонстрируют увеличение хромосомных аберраций в лимфоцитах после каждого космического полета, что в медицине считается онкомаркером. В целом сделан вывод о том, что получение в течение жизни допустимой дозы в 1 Зв в среднем укорачивает жизнь на три года.

Лунные риски

Одним из «сильных» доводов сторонников «лунного заговора» считается утверждение о том, что пересечение радиационных поясов и нахождение на Луне, где нет магнитного поля, вызвало бы неминуемую гибель астронавтов от лучевой болезни. Американским астронавтам действительно приходилось пересекать радиационные пояса Земли — протонный и электронный. Но это происходило в течение всего лишь нескольких часов, и дозы, полученные экипажами «Аполлона» в ходе миссий, оказались существенными, но сопоставимыми с теми, что получают старожилы МКС. «Конечно, американцам повезло, — говорит Вячеслав Шуршаков, — ведь за время их полетов не произошло ни одного солнечного протонного события. Случись такое, астронавты получили бы сублетальные дозы — уже не 30 мЗв, а 3 Зв.

Намочите полотенца!

«Мы, специалисты в области радиационной безопасности, — говорит Вячеслав Шуршаков, — настаиваем на том, чтобы защита экипажей была усилена. Например, на МКС наиболее уязвимыми являются каюты космонавтов, где они отдыхают. Там нет никакой дополнительной массы, и от открытого космоса человека отделяет лишь металлическая стенка толщиной в несколько миллиметров. Если приводить этот барьер к принятому в радиологии водному эквиваленту, это всего лишь 1 см воды. Для сравнения: земная атмосфера, под которой мы укрываемся от излучения, эквивалентна 10 м воды. Недавно мы предложили защитить каюты космонавтов дополнительным слоем из пропитанных водой полотенец и салфеток, что намного бы снизило действие радиации. Разрабатываются медикаментозные средства для защиты от излучения — правда, на МКС они пока не используются. Возможно, в будущем методами медицины и генной инженерии мы сможем усовершенствовать тело человека таким образом, чтобы его критические органы были более устойчивыми к факторам радиации. Но в любом случае без пристального внимания науки к этой проблеме о дальних космических полетах можно забыть».

где μ – массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см 2 /г, х/ ρ – массовая толщина зашиты г/см 2 . Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.

Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения μ EN

N = μ EN I

Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients.

В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.

Таблица 1. Характеристика рентгеновского излучения, коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме, толщина защиты, результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*

*Примечание – толщина защиты LM-5 и скафандров “Кречет”, “ХА-25” и “ХА-15” в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия; толщина защиты “ХО-25”, “Орлан-М” и A7L тканеэквивалентного вещества, что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.

Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.

Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см 2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м 2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м 2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м 2 сут и 1,3 Вт/м 2 . Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.

Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1. Это очень низкая вероятность. Для сравнения – среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.

Для определения радиационных требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий – 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м 2 сутки и для жесткого – 0,26 Вт/м 2 .

Радиационные требования и параметры лунного скафандра

В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.

При использовании скафандра “Кречет” для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия, уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al – 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al – 120 мрад/сути.

Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.

При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.

Лунный скафандр “Кречет”. Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр. В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на для работы в открытом космосе. Вес 106 кг.

Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра “Орлан-М” при защите 0,21 г/см 2 тканеэквивалентного вещества интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см 2 и 0,17 г/см 2 , соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.

Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно.

Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.

A7L - основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды. Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг. Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ. Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг

При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см 2 , 0,21 г/см 2 и 0,17 г/см 2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.

При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м 2 сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.

Самый простой выход – это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход – работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение. В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей…

Простым эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.

При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации не превысит 1,89 рад.

Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см 2 . При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.

ИТОГИ И ВЫВОДЫ

В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.

При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.

Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:

1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см 2 ;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см 2 .

При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м 2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.

Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.

Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.

Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.

NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну.

Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток . Об этом далее.

Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.

Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.

Источники естественной (природной) радиации - это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.

Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.

Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.

Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.

Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв .

Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.

Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:

Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:

1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;

2) галактическое космическое излучение;

3) корпускулярное излучение Солнца.

Излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.

Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.

Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.

Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении - порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.

Взаимодействие с атмосферой . Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.

При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.

Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее - потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.

Космогенные радионуклиды

В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: 3 H (Т 1/2 = 12,35 лет), 14 C (T 1/2 = 5730 лет), 22 Na (T 1/2 = 2,6 лет), - поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.

Солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;

Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.

Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:

Изменений потока галактического излучения,

Активности солнца,

Географической широты,

Высоты над уровнем моря.

В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.

Радионуклиды земной коры.

В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.

Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.

В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.

Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:

Радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),

Другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,

Радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.

В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.

Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.

Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше - это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно - альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:

Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.

Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание 40 К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.

Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10 9 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.

Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).