Читать книгу Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс - Александр Матанцев - Страница 5

Пояса Ван Аллена – области в магнитосфере Земли, в которых накапливаются и хранятся заряженные частицы, которые создают зоны повышенной радиации. Области в форме бубликов или овалов, состоят из внутреннего пояса (область с максимально высокой радиацией всего пояса, находится на расстоянии 600 км, заканчивается на 6000 км) и внешнего (в нем интенсивность много ниже, но он более обширный; начинается на высоте 10 000 км, заканчивается 60 000 км). Внутренний пояс очень стабилен по сравнению со внешним – тот изменяет свою концентрацию и размер в зависимости от геомагнитных бурь, вызываемых волной солнечных частиц.

Рис. 10

Рис. 10. Зоны магнитных полей от Земли [15]

I – внутренний, протонный пояс Земли с максимальной плотностью высокоэнергетических протонов на высоте от 3 тыс. км до 4 тыс. км;

II – пояс протонов малой энергии;

III – внешний электронный радиационный пояс, около 22 тыс. км;

IV – зона квазизахвата частиц «солнечного ветра».

Магнитосфера Земли – это самая внешняя из магнитных защитных оболочек Земли. Она представляет собой деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собой солнечное магнитное поле. Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, вытянутыми на много земных радиусов в ночную сторону.

Рис. 11

Рис. 11. Радиационные зоны для электронов и протонов [17]

Рис. 12

Рис. 12. Радиационные зоны для электронов c энергией более 0,5 МэВ и протонов с энергией более 10 МэВ [17]

Рис. 13

Рис. 13. Пояса Ван Аллена, на верхнем рисунке показаны зоны высокоэнергетичных протонов, а на нижнем рисунке – зоны высокоэнергетичных электронов [51]

Пояса Ван Аллена состоят из заряженных частиц космических лучей и солнечного ветра, притягиваемых магнитным полем Земли. Каждый из поясов образует вокруг Земли тор. Соотношение и энергетический уровень заряженных частиц различаются во внутреннем и внешних поясах. Как показано на верхней диаграмме, пояса Ван Аллена насыщены высоко заряженными протонами. Нижняя диаграмма иллюстрирует содержание высоко заряженных электронов (области наиболее высокой концентрации выделены темным цветом).

Зоны Ван Аллена характерны расположены вокруг Земли. У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы и отсутствует защитное магнитное поле. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна – она смертельна [52].

Сведения по внутренней зоне Ван Аллена в разных источниках информации:

– внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ [11];

– внутренний пояс Ван Аллена (внутренний ЕРПЗ), который находится на высоте 3000—12000 км и состоит, в основном, из протонов с энергией 10—500 МэВ, а также небольшого количества нейтронов [22, 49];

– внутренний пояс находится на высоте от 3 до 12 тыс. км над поверхностью Земли [67, 70];

– БСЭ [61]: внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией E_p> 20 МэВ до 10⁴ протон/ (см²․сек․стер) на расстоянии L; во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20—40 кэв до 1 МэВ; плотность потока электронов с E_e ≥ 40 кэв составляет в максимуме 10⁶—10⁷ электрон/ (см²․сек․стер);

– внутренний пояс Ван Аллена обычно простирается от высоты от 0,2 до 2 радиусов Земли (значения L от 1 до 3) или от 1000 км (620 миль) до 12000 км (7500 миль) над Землей; в некоторых случаях, когда солнечная активность сильнее или в географических областях, таких как Южно-Атлантическая аномалия, внутренняя граница может снизиться примерно до 200 километров над поверхностью Земли;

– внутренний пояс содержит высокие концентрации электронов в диапазоне сотен кэВ и энергичные протоны с энергией, превышающей 100 МэВ, захваченные сильными (относительно внешних поясов) магнитными полями в этом регионе [62];

– он расположен на высоте 1 000 – 24 000 километров от поверхности планеты; бывают исключения, когда во время высокой солнечной активности, а также в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может опускаться до 200 км от Земли. Состоит внутренний пояс из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 МэВ; дополнительно, во время геомагнитных бурь образуются протоны более низких энергий [63].

Сведения по внешней зоне Ван Аллена из разных источников информации:

– внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ [11];

– внешний пояс Ван Аллена (внешний естественный радиационный пояс Земли, сокращённо – ЕРПЗ), который находится на высоте 17000—57000 км и состоит, в основном, из электронов с энергией от 100 кэВ до 10 ГэВ, а также небольшое количество протонов и нейтронов с энергией от 1 до 100 МэВ и античастиц [22, 49];

– внешний – на высоте от 18 до 57 тысяч км [67, 70];

– внешний пояс радиации открыт советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км, он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора) [59];

– БСЭ [61]: Внешний РПЗ заключён между магнитными оболочками c L, радиационные пояса Земли 3 и L; радиационные пояса Земли 6 с максимальной плотностью потока частиц на L; Радиационные пояса Земли 4,5; Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40—100 кэв, поток которых в максимуме достигает 10⁶—10⁷ электрон/ (см²․сек․стер); среднее время «жизни» частиц внешнего РПЗ составляет 10⁵—10⁷ сек; в периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше);

– внешний пояс состоит из в основном из электронов высоких энергий (0,1—10 МэВ), захваченных магнитосферой Земли; он более изменчив, чем внутренний пояс, так как на него легче влияет солнечная активность; он имеет почти тороидальную форму, начинается на высоте трех и простирается до десяти земных радиусов (R E) на высоте от 13000 до 60000 километров (от 8100 до 37300 миль) над поверхностью Земли; его максимальная интенсивность обычно составляет около 4—5 R E; Внешний пояс излучения электронов в основном создается радиальной диффузией внутрь и локальным ускорением из-за передачи энергии от плазменных волн к электронам радиационного пояса; электроны радиационного пояса также постоянно удаляются из-за столкновений с атмосферой Земли, потерь на магнит паузу и их радиальной диффузии наружу; радиус энергичных протонов будет достаточно большим, чтобы привести их в контакт с атмосферой Земли; внутри этого пояса электроны имеют высокий поток и на внешнем крае (близко к магнитопаузе), где линии геомагнитного поля открываются в геомагнитный «хвост», поток энергичных электронов может упасть до низких межпланетных уровней в пределах примерно 100 км (62 мили), то есть в 1000 раз [62];

– внешний пояс располагается на высоте 13 000 – 60 000 километров и обладает почти тороидальной формой (похож на бублик); эта часть пояса состоит преимущественно из электронов, значение энергий которых колеблется в пределах от 0,1 до 10 МэВ; количество частиц в нём колеблется в зависимости от активности Солнца; в 2011 году было обнаружено, что в составе этой части пояса находятся также античастицы [63].

Чем выше весовой множитель, тем опаснее действие определенного вида радиации для тканей живого организма.

Таблица 1. Сравнение по значимости влияния на человека различных видов ионизирующих излучений [34]

Для электронов и рентгеновского излучения коэффициент качества равен единице, для протонов с энергией 10—400 МэВ принимается 2—14 (определен на тонких пленках биологической ткани). Такой коэффициент связан с тем, что протон передает разную часть энергии электронам вещества, чем меньше энергия протона, тем выше передача энергии и выше коэффициент качества. Обычно берут среднее значение w=5, так как человек полностью поглощает излучение, и основная передача энергии происходит в пике Брэгга, за исключением высокоэнергичной части протонов.

Значительные дозы излучений действуют не только на человека, но и на аппаратуру на КА и спутниках. Космический аппарат при полете на Луну пересекает два пояса Ван Аллена, где возможны большие дозы излучения в зависимости от обстановки на Солнце. Имеются данные, что в поясах Ван Аллена доза достигает 10 тысяч рентген/час [121]. Это выше смертельной дозы в 500 рентген. Однако время пролета космическим аппаратом этой зоны может быть небольшим в десятки секунд, при правильном выборе траектории полета, поэтому полученная доза может быть меньше смертельной. При этом должна быть обеспечена необходимая защита стенок КА.