Космическая радиация может поставить крест на будущих космических полетах. О радиации, как главном «препятствии» в освоении космоса

Вблизи Земли продолжает защищать ее магнитное поле - пусть даже ослабленное и без помощи многокилометровой атмосферы. Пролетая в районе полюсов, где поле мало, космонавты сидят в особо защищенном помещении. А для радиационной защиты при полете на Марс пока нет удовлетворительного технического решения.

Решил дополнить исходный ответ по двум причинам:

1. в одном месте он содержит неверное утверждение и не содержит верное
2. просто для полноты картины (цитаты)

1. В комментариях Сузанна покритиковала ответ - во многом справедливо.

Над магнитными полюсами Земли поле слабеет , как я и утверждал. Да, Сузанна права, что У ПОЛЮСОВ оно особо велико (представьте себе силовые линии: они собираются именно у полюсов). Но на большой высоте НАД ПОЛЮСАМИ оно слабее чем в других местах- по той же самой причине (представьте те же силовые линии: они ушли вниз - к полюсам, а вверху их почти не осталось). Поле как бы проседает.

Но Сузанна права в том, что космонавты МЧС не укрываются в спецпомещении из-за приполярных областей : меня подвела память.

Но все же есть место, над которым спецмеры принимаются (его я и спутал с приполярными областями). Это - над магнитной аномалией в Южной Атлантике . Там магнитное поле настолько "проседает", что радиационный пояс и принимать спецмеры приходится без всяких вспышек на Солнце . Цитату о не связанных с солнечной активностью спецмерах быстро найти не смог, но я о них где-то читал.

Ну и, конечно, стоит упомянуть и сами вспышки : от них тоже укрываются в наиболее защищенном помещении, а не разгуливают в это время по всей станции.

Все солнечные вспышки тщательно отслеживаются и информация о них отправляется в центр управления. В такие периоды космонавты прекращают работу и укрываются в наиболее защищённых отсеках станции. Такими защищёнными сегментами являются отсеки МКС рядом с ёмкостями с водой. Вода задерживает вторичные частицы - нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее.

2. Просто цитаты и допинформация

В некоторых цитатах ниже упоминается доза в Зивертах (Зв). Для ориентировки некоторые цифры и вероятные эффекты из таблицы в

0-0.25 Зв. Нет эффекта, за исключением умеренных изменений в крови

0.25-1 Зв. Радиационные заболевания из 5-10% облучённых людей

7 Зв ~100% летальных исходов

Суточная доза на МКС - около 1 мЗв (см. ниже). Значит, можно без особого риска летать около 200 суток . Важно также, за какой срок набрана одна и та же доза: набранная за короткое время намного опаснее, чем за набранная за длительный срок. Организм - не пассивный объект просто "набирающий" радиационные дефекты: есть у него и "ремонтные" механизмы и с постепенно набираемыми малыми дозами они обычно справляются.

В отсутствие массивного атмосферного слоя, который окружает людей на Земле, космонавты на МКС подвергаются более интенсивному облучению постоянными потоками космических лучей. В день члены экипажа получают дозу радиации в размере около 1 миллизиверта, что примерно равнозначно облучению человека на Земле за год. Это приводит к повышенному риску развития злокачественных опухолей у космонавтов, а также ослаблению иммунной системы.

Как показывают данные, собранные NASA и специалистами из России и Австрии, астронавты на МКС ежедневно получают дозу в 1 миллизиверт. На Земле такую дозу облучения не везде можно получить и за целый год.

Этот уровень, впрочем, ещё относительно терпим. Однако необходимо иметь в виду, что околоземные космические станции находятся под защитой магнитного поля Земли.

За его пределами радиация возрастёт во много раз, следовательно, экспедиции в глубокий космос окажутся невозможными.

Радиация в жилых корпусах и лабораториях МКС и «Мира» возникала вследствие бомбёжки космическими лучами алюминиевой обшивки станции. Быстрые и тяжёлые ионы выбивали из обшивки изрядное количество нейтронов.

В настоящее время на космических кораблях невозможно обеспечить стопроцентную защиту от радиации. Точнее, возможно, но за счёт более чем значительного увеличения массы, а вот это-то как раз и недопустимо

Кроме атмосферы нашей, защитой от радиации является магнитное поле Земли. Первый радиационный пояс Земли находится на высоте порядка 600-700 км. Станция сейчас летает на высоте порядка 400км, что существенно ниже... Защитой от радиации в космосе является (также – ред.) корпус корабля или станции. Чем толще стенки корпуса, тем больше защита. Конечно, стенки не могут быть бесконечно толстыми, потому что существуют весовые ограничения.

Ионизирующий уровень, фоновый уровень радиации на международной космической станции выше, чем на Земле (примерно в 200 раз – ред.), что делает космонавта более подверженным ионизирующему излучению, чем представителей традиционно радиационно-опасных отраслей, таких как атомная энергетика и рентгенодиагностика.

Кроме индивидуальных дозиметров космонавтов на станции есть еще система радиационного контроля. ... По одному датчику расположено в каютах экипажа и по одному датчику в рабочем отсеке малом и большом диаметре. Система работает автономно 24 часа в сутки. ... Таким образом Земля располагает информацией о текущей радиационной обстановке на станции. Система радиационного контроля способна выдавать предупреждающий сигнал «Проверь радиацию!». Если бы это случилось, то на пульте сигнализации систем мы увидели бы загорание транспаранта с сопровождающим звуковым сигналом. За все время существование космической международной станции таких случаев не было.

В... районе Южной Атлантики... 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... на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.

Магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы... , 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. ... Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.

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... 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.

Нил Армстронг (первый астронавт, вступивший на Луну) сообщил на Землю о своих необычных ощущениях во время полёта: порой он наблюдал яркие вспышки в глазах. Иногда их частота достигала около сотни в день... Учёные... пришли к выводу, что ответственны за это … галактические космические лучи. Именно эти частицы высокой энергии, проникая в глазное яблоко, вызывают черенковское свечение при взаимодействии с веществом, из которого состоит глаз. В результате астронавт и видит яркую вспышку. Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо. Эти частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей энергии на единицу пройденного пути, чем их более лёгкие собратья. Именно они и ответственны за генерацию черенковского свечения и возбуждение ретины – чувствительной оболочки глаза.

При дальних космических полётах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полёте на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полёт на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная – суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полёта на Марс, поглощённая доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Её можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия – августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв.

Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удаётся предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперёд период времени.

Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.

Протоны солнечных вспышек несут реальную угрозу космическим экипажам дальних миссий. Взяв вновь в качестве примера вспышку августа 1972 г., можно показать, пересчитав потоки солнечных протонов в дозу радиации, что через 10 часов после начала события, она превысила летальное значение для экипажа космического корабля, если бы он оказался вне корабля на Марсе или, скажем, на Луне.

Здесь уместно вспомнить полёты американскго “Apollo” к Луне в конце 60-х – начале 70-х. В 1972 г., в августе, была такая же по мощности вспышка на Солнце, как и в октябре 1989 г. “Apollo-16” приземлился после своего лунного путешествия в апреле 1972 г., а следующий – “Apollo-17” стартовал в декабре. Повезло экипажу “Apollo-16”? Безусловно, да. Расчёты показывают, будь астронавты “Apollo” в августе 1972 г. на Луне, они бы подверглись облучению с дозой радиации в ~4 Зв. Это – очень много, чтобы спастись. Если… если быстро не возвратиться на Землю для экстренного лечения. Другой вариант – перейти в кабину лунного модуля “Apollo”. Здесь доза радиации уменьшилась бы в 10 раз. Для сравнения скажем, что защита МКС в 3 раза толще, чем лунного модуля “Apollo”.

На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов.

Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз.

В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившеееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом.

Землю от космического излучения защищают атмосфера и магнитное поле. На орбите радиационный фон в сотни раз больше, чем на поверхности Земли. Каждые сутки космонавт получает дозу облучения 0,3-0,8 миллизиверта - примерно в пять раз больше, чем при рентгене грудной клетки. При работе в открытом космосе воздействие радиации оказывается еще на порядок выше. А в моменты мощных солнечных вспышек можно за один день на станции схватить 50-суточную норму. Не дай бог в такое время работать за бортом - за один выход можно выбрать допустимую за всю карьеру дозу, составляющую 1000 миллизивертов. В обычных условиях ее хватило бы года на четыре - столько еще никто не налетал. Причем ущерб здоровью от такого однократного облучения будет значительно выше, чем от растянутого на годы.

И все же низкие околоземные орбиты еще относительно безопасны. Магнитное поле Земли захватывает заряженные частицы солнечного ветра, образуя радиационные пояса. Они имеют форму широкого бублика, окружающего Землю по экватору на высоте от 1000 до 50 000 километров. Максимальная плотность частиц достигается на высотах около 4000 и 16 000 километров. Сколько-нибудь длительная задержка корабля в радиационных поясах представляет серьезную угрозу жизни экипажа. Пересекая их на пути к Луне, американские астронавты за несколько часов рисковали получить дозу 10-20 миллизивертов - как за месяц работы на орбите.

В межпланетных полетах вопрос радиационной защиты экипажа стоит еще острее. Земля экранирует половину жестких космических лучей, а ее магнитосфера почти полностью задерживает поток солнечного ветра. В открытом космосе без дополнительных мер защиты облучение вырастет на порядок. Иногда обсуждается идея отклонять космические частицы сильными магнитными полями, однако на практике ничего, кроме экранирования, пока не отработано. Частицы космического излучения неплохо поглощаются ракетным топливом, что наводит на мысль использовать полные баки как защиту от опасной радиации.

Магнитное поле на полюсах не мало, а наоборот, большое. Просто направлено оно там практически радиально к Земле, что приводит к тому, что захваченные магнитными полями в радиационных поясах частицы солнечного ветра, при определенных условиях двигаются (высыпаются) в направлении Земли у полюсов, вызывая полярные сияния. Это не представляет опасности космонавтам так как траектория МКС проходит ближе к экваториальной зоне. Опасность представляют сильные солнечные вспышки класса М и Х с коронарными выбросами вещества (в основном протоны), направленные к Земле. Именно в этом случае, космонавты применяют дополнительные меры радиационной защиты.

Ответить

ЦИТАТА: "... Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо...."

Объясните неучу пожалуйста - откуда в солнечном ветре (космических лучах, как у вас написано) взялись частицы углерода, кислорода, железа и каким образом они могут попасть в вещество, из которого состоит глаз - через скафандр?

Ответить

Ещё 2 комментария

Объясняю... Солнечный свет - это фотоны (включая гамма-кванты и рентгеновское излучение, являющиеся проникающей радиацией).

Есть еще солнечный ветер. Частицы . Например, электроны, ионы, ядра атомов, летящие от Солнца и из Солнца. Сколь-нибудь тяжелых ядер (тяжелее гелия) там мало, ибо их мало в самом Солнце. Но альфа-частиц (ядер гелия) - много. И, в принципе, может прилететь любое ядро, легче железного (вопрос лишь в количестве прилетающего). Дальше железа синтез на Солнце (тем более вне его) не идет. Поэтому от Солнца может прилететь только железо и что-то полегче (тот же углерод, например).

Космические лучи в узком смысле - это особо высокоскоростные заряженные частицы (и не заряженные, впрочем, тоже), прилетевшие из-за пределов Солнечной системы (в основном). А также - проникающая радиация оттуда же (иногда ее рассматривпют отдельно, не причисляя к "лучам").

Среди прочих частиц космические лучи содержат и ядра каких угодно атомов (в разном количестве, конечно). Сколь-нибудь тяжелые ядра, попав в вещество, ионизируют все на своем пути (а также - в стороне: там вторичная ионизация - уже тем, что вышиблено по дороге). А если у них высокая скорость (и кинетическая энергия), то заниматься этим делом (полетом через вещество и его ионизацей) ядра будут долго и остановятся не скоро. Соответственно, пролетят через что угодно и с пути не свернут - пока не потратят почти всю кинетическую энергию. Даже наткнувшись прямо на другое ядро (а это бывает редко) могут просто отшвырнуть его в сторону, почти не изменив направление своего движения. Или не в сторону, а полетят дальше более-менее в одном направлении.

Представьте автомобиль, который на полном ходу врезался в другой. Разве он остановится? А еще представьте, что скорость у него - многие тысячи километров в час (еще лучше - в секунду!), а прочность позволяет выдержать любой удар. Вот это и есть ядро из космоса.

Космические лучи в широком смысле - это космические лучи в узком, плюс солнечный ветер и проникаюшая радиация от Солнца. (Ну, или без проникающей радиации, если ее рассматривают отдельно).

Со́лнечный ве́тер - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.

Не следует путать понятия «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до Земли за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток фотонов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд).

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).

Косми́ческие лучи́ - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве[

Классификация по происхождению космических лучей:

• вне нашей Галактики
• в Галактике
• на Солнце
• в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34 % энергии, переносимой остальными частицами.

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы... соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые... Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра.

Ответить

Прокомментировать

Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.

Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса

во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)

Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».

Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?

Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)

У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. 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!

В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.

Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)

Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.

Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.

Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:

«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался».

«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».

Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?

НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.

Пока Армстронг и Олдрин выполняли работу в открытом космосе

на поверхности Луны,Майкл Коллинз

ставался на орбите (архив НАСА)

Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».

Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос - правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?

Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.

Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки - явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода - совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.

В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?

Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!

Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.

Между прочим, один из авторитетных сотрудников НАСА (заслуженный физик, кстати) Билл Модлин в своей работе «Перспективы межзвездных путешествий» откровенно сообщал: «Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов - это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».

Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.

Впрочем, может быть, НАСА и впрямь разработало для них некие сверхнадежные скафандры, используя (понятно, очень засекреченный) сверхлегкий материал, защищающий от радиации? Но почему же его так больше нигде и не использовали, как говорится, в мирных целях? Ну ладно, с Чернобылем СССР они не захотели помогать: все-таки перестройка еще не началась. Но ведь, к примеру, в 1979 году в тех же США на АЭС «Тримайл-Айленд» произошла крупная авария реакторного блока, которая привела к расплавлению активной зоны реактора. Так что же американские ликвидаторы не использовали космические скафандры по столь разрекламированной технологии НАСА стоимостью ни много ни мало в $7 млн, чтобы ликвидировать эту атомную мину замедленного действия на своей территории?..

Космическая радиация представляет большую проблему для конструкторов космических аппаратов. Они стремятся защитить от нее космонавтов, которым предстоит находиться на поверхности Луны или отправиться в длительные путешествия в глубины Вселенной. Если необходимая защита не будет обеспечена, то эти частицы, летящие с огромной скоростью, проникнут в тело космонавта, повредят его ДНК, что может повысить риск раковых заболеваний. К сожалению, до сих пор все известные способы защиты либо неэффективны, либо неосуществимы.
Материалы, традиционно применяемые для строительства космических аппаратов, например алюминий, задерживают некоторые космические частицы, но для многолетних полетов в космосе нужна более крепкая защита.
Аэрокосмическое агентство США (NASA) охотно берётся за самые сумасбродные, на первый взгляд, идеи. Ведь никто наверняка не может предсказать - какая из них однажды обернётся серьёзным прорывом в космических исследованиях. В агентстве работает специальный институт перспективных концепций (NASA Institute for Advanced Concepts - NIAC), призванный аккумулировать именно такие разработки - на очень дальнюю перспективу. Через этот институт NASA распределяет гранты в различные университеты и институты - на разработку "гениальных безумств".
Сейчас изучаются следующие варианты:

Защита определенными материалами. Некоторые материалы, например вода или полипропилен, обладают хорошими защитными свойствами. Но для того, чтобы защитить ими космический корабль, их понадобится очень много, вес корабля станет недопустимо велик.
В настоящее время, сотрудники NASA разработали новый сверхпрочный материал, родственный полиэтилену, который собираются использовать при сборке космических кораблей будущего. "Космическая пластмасса" сможет защитить астронавтов от космической радиации лучше, чем металлические экраны, но намного легче известных металлов. Специалисты убеждены, что когда материалу придадут достаточную термостойкость, из него можно будет делать даже обшивку космических аппаратов.
Раньше считалось, что только цельнометаллическая оболочка позволит пилотируемому кораблю пройти сквозь радиационные пояса Земли - потоки заряженных частиц, удерживаемые магнитным полем вблизи планеты. Во время полетов к МКС с этим не сталкивались, поскольку орбита станции проходит заметно ниже опасного участка. Кроме того, астронавтам угрожают вспышки на Солнце - источник гамма- и рентгеновских лучей, а детали самого корабля способны ко вторичному излучению - из-за распада радиоизотопов, образовавшихся при "первой встрече" с радиацией.
Теперь ученые полагают, что новый пластик RXF1 лучше справляется с перечисленными проблемами, причем небольшая плотность - не последний аргумент в его пользу: грузоподъемность ракет все еще недостаточно велика. Известны результаты лабораторных тестов, в которых его сравнивали с алюминием: RXF1 выдерживает втрое большие нагрузки при втрое меньшей плотности и улавливает больше высокоэнергетических частиц. Полимер пока не запатентован, поэтому о способе его изготовления не сообщается. Об этом сообщает Lenta.ru со ссылкой на science.nasa.gov.

Надувные конструкции. Надувной модуль, изготовленный из особо прочного пластика RXF1, окажется не только компактнее при запуске, но и легче цельной стальной конструкции. Конечно, его разработчикам потребуется предусмотреть и достаточно надежную защиту от микрометеоритов вкупе с «космическим мусором», но ничего принципиально невозможного в этом нет.
Кое-что уже есть - это частный надувной беспилотный корабль Genesis II уже находится на орбите. Запущен в 2007 году российской ракетой "Днепр". Причем масса у него довольно внушительная для устройства, созданного частной компанией, – свыше 1300 кг.

CSS (Commercial Space Station) Skywalker - коммерческий проект надувной орбитальной станции. На поддержку проекта NASA выделяет деньги около 4 млрд. долларов на 20110-2013 гг.. Речь идёт о разработке новых технологий надувных модулей для освоения космоса и небесных тел Солнечной системы.

Сколько будет стоить надувная конструкция, не сообщается. Зато уже озвучены суммарные затраты на разработку новых технологий. В 2011 году на эти цели выделят $652 млн, в 2012-м (если бюджет снова не пересмотрят) – $1262 млн, в 2013-м – $1808 млн. Затраты на исследования планируется неуклонно повышать, но, с учетом печального опыта выбившегося из сроков и смет «Созвездия» , без фокусировки на одной масштабной программе.
Надувные модули, автоматические устройства для стыковки аппаратов, системы хранения топлива на орбите, автономные модули жизнеобеспечения и комплексы, обеспечивающие посадку на другие небесные тела. Это лишь малая часть тех задач, которые ставятся теперь перед NASA для решения задачи высадки человека на Луну.

Магнитная и электростатическая защита. Для отражения летящих частиц можно применять мощные магниты, но магниты очень тяжелы, и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.

Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой. Тороидальный сверхпроводящий магнит с напряжённостью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину пилотов, расположенную внутри магнита, и, тем самым, снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.

Перспективные проекты NASA - электростатический радиационный щит для лунной базы и лунный телескоп с жидким зеркалом (иллюстрации с сайта spaceflightnow.com).

Биомедицинские решения. Тело человека способно исправлять нарушения в ДНК, вызванные незначительными дозами радиации. Если усилить эту способность, космонавты смогут переносить длительное облучение космической радиацией. Подробнее

Защита из жидкого водорода. НАСА рассматривает возможность использовать в качестве защиты от космической радиации топливные баки космических аппаратов, содержащие жидкий водород, которые можно расположить вокруг отсека с экипажем. В основе этой идеи лежит тот факт, что космическое излучение теряет энергию, сталкиваясь с протонами других атомов. Поскольку атом водорода имеет только один протон в ядре, протон каждого его ядра "тормозит" радиацию. В элементах с более тяжелыми ядрами одни протоны загораживают другие, поэтому космические лучи их не достигают. Защиту водородом обеспечить можно, но недостаточную для того, чтобы предотвратить риски онкологических заболеваний.

Биоскафандр. Данный проект биоскафандра (Bio-Suit), разрабатываемый группой профессоров и студентов Массачусетского технологического института (MIT). "Био" - в данном случае означает не биотехнологии, а лёгкость, необыкновенное для скафандров удобство и где-то даже неощутимость оболочки, являющейся как бы продолжением тела.
Вместо того, чтобы сшивать и склеивать скафандр из отдельных кусочков различных тканей, его будут напылять прямо на кожу человека в виде быстро затвердевающего спрея. Правда, шлем, перчатки и ботинки останутся всё же традиционными.
Технология такого напыления (в качестве материала используется специальный полимер) уже обкатывается американскими военными. Этот процесс называется Electrospinlacing, его прорабатывают специалисты исследовательского центра армии США - Soldier systems center, Natick.
Упрощённо можно сказать, что мельчайшие капельки или короткие волоконца полимера приобретают электрический заряд и под действием электростатического поля устремляются к своей цели - объекту, который нужно закрыть плёнкой - где они образуют слитную поверхность. Учёные из MIT намерены создать нечто подобное, но способное создавать влаго- и воздухонепроницаемую плёнку на теле живого человека. После затвердевания плёнка приобретает высокую прочность, сохраняя упругость, достаточную для движения рук и ног.
Нужно добавить, что проект предусматривает вариант, когда подобным образом на тело будут напылены несколько различных слоёв, чередующихся с разнообразной встроенной электроникой.

Линия развития скафандров в представлении учёных MIT (иллюстрация с сайта mvl.mit.edu).

А ещё изобретатели биоскафандра говорят о перспективном самозатягивании полимерных плёнок при небольших повреждениях.
Когда такое станет возможным, не берётся предсказать даже сама госпожа профессор Дава Ньюман. Может, через десять лет, может - через пятьдесят.

Но ведь если не начать идти к этому результату сейчас - "фантастическое будущее" не наступит.

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.

В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.

Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.

Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./

В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.

Космическая лента

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.).