Радиация в околоземном пространстве и на самой планете Земля

В физике космических лучей  БМА играет очень важную роль, влияя  на потоки высокоэнергетичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Из всех магнитных аномалий Земли наиболее значительное влияние на потоки частиц (космических лучей) оказывает БМА. В этой области величина магнитного поля на уровне моря такая, как на высоте 1000 км вне аномалий. Поскольку БМА отрицательна и располагается на низких широтах, в этом районе происходит не только опускание зеркальных точек частиц, но и провисание дрейфовых оболочек к Земле. Радиальные градиенты потоков частиц на L < 2, соответствующих этой аномалии, очень велики (крутая внутренняя кромка РП), и указанное провисание дрейфовых оболочек приводит к значительному росту потоков частиц, связанному с увеличением L при переходе от границ к центру аномалии (на заданной высоте). В отличие от отрицательных магнитных аномалий на более высоких широтах (Кейптаунской и Беринговой), Бразильская аномалия оказывает сильное влияние на потоки частиц в гораздо более широком диапазоне питчуглов, практически полностью опустошая оболочки с L < 1.1 в течение одного дрейфового периода.

Обратим внимание на распределение  интенсивности космических лучей, полученное с помощью космического аппарата UoSAT в период с 09.1988 по 05.1992. Спутник зафиксировал значительное увеличение концентрации космических частиц в районе Бразильской (Южно-Атлантической - SAA) магнитной аномалии (рис. 12-5 справа). Этот эффект хорошо изучен, повышение уровня радиации связывается с тем, что горизонтальная компонента геомагнитного поля в районе SAA ниже, относительно среднего поля на экваторе, примерно, в 1.5-2 раза. Эта особенность позволяет протонам внутреннего радиационного пояса «проваливаться» в образовавшуюся «воронку» и попадать в атмосферу Земли, что должно было бы приводить к возрастанию радиационного фона на поверхности Земли. По-видимому, это действительно, так, - известно, что в Бразилии неподалеку от г. Посус-ди-Калдас (в 200 км к северу от г. Сан-Пауло, в центре SAA) на небольшой необитаемой возвышенности зарегистрирован уровень радиации порядка 250 - 300 мЗв/год. Информация об этом встречается во многих источниках, однако, ни в одном из них не объясняется причина повышения уровня радиации. Возможно, причина такого повышения уровня радиации заключается именно в локальном уменьшении магнитного поля в этом регионе примерно в два раза. Насколько достоверна эта идея, пока судить ещё рано. Очевидно только то, что если на Земле модуль геомагнитного поля понизится вдвое, радиационный фон вырастет значительно больше.

6. Земля в потоке  космических лучей

По космическим масштабам  Земля расположена очень близко от Солнца. Многие специалисты считают, что она вообще находится в  области солнечной короны. Потоки направленных от Солнца заряженных частиц солнечного ветра с энергий от 1 эВ до 100 и более МэВ на Землю  не попадают, т.к. отклоняются её магнитосферой.

Преодолев отклоняющее действие магнитосферы, в атмосферу Земли  способны проникнуть только галактические  космические лучи (ГКЛ), обладающие энергией, большей т.н. «энергии обрезания». Для различных широт эта энергия  различается, оставаясь в целом  по Земле на уровне ~ 10 ГэВ. Частицы (протоны  и мезоны) обладающие столь большой  энергией, тем не менее, поверхности  Земли не достигают, тормозясь в  её атмосфере, рассеиваясь на ядрах  атомов воздуха, генерируя жесткое  излучение и приводя к рождению элементарных частиц, в основном р-мезонов. Мезоны распадаются с образованием мюонной и нейтринной компонент. Образующиеся при этих процессах мюоны и медленные нейтроны, регистрируются на Земле нейтронными мониторами ГКЛ.

Не вызывает сомнения, что  поток солнечных космических  лучей достигая Земли вызывал  бы несовместимую с жизнью радиационную обстановку. К счастью для Земли, она защищена от солнечного ветра  своеобразным магнитосферным «зонтом».

Представим себе, что по какой-то причине этот «зонт» порвался. На Землю, при этом, обрушится вся  сила «дождя» солнечного ветра. Мало того, при этом произойдет разрушение радиационных поясов Земли и на Землю, дополнительно к «дождю», попадут  ещё и «брызги» от разрушенных  радиационных поясов, своеобразных «резервуаров» - накопителей того же «дождя».

Энергия ГКЛ, проходящих сквозь магнитосферу и попадающих в атмосферу Земли определяется величиной т.н. геомагнитного обрезания. При этом частицы ГКЛ падающие вертикально на экватор, обладают энергией Е ? 1.5 1010 эВ, на геомагнитную широту 51, Е ? 2.5 109 эВ. Интенсивность ГКЛ на экваторе меньше, чем в полярных широтах, это т.н. широтный эффект. В радиационных поясах: для частиц с энергией Е > 30 МэВ поток 103 см-2 с-1; для частиц Е > 1 МэВ, поток 105 см-2 с-1

Радиация. Основные понятия. Дозы. Доза излучения определяется в зивертах, один зиверт равен 1 Дж/кг = 104 эрг/г = 102 бэр. Поглощенная доза (D) ранее определялась в радах, теперь - в греях (1 рад = 100 эрг/г = 0.01 грей = 2.388 10-6 кал/г). При поглощенной дозе D = 0.01 Гр (1 рад) происходит нарушение жизнедеятельности клеток. Принято считать Dо, как дозу, снижающую число выживших клеток в е раз. Для большинства делящихся клеток Dо = (1.2 - 2) Гр. 1 Гр = 104 эрг/г. Удельные энергии одного зиверта и одного грея - равны.

В состав первичного космического излучения входят протоны высоких  энергий и ядра некоторых легких элементов. Их взаимодействие с ядрами атомов, присутствующих в атмосфере  Земли, приводит к образованию ядер новых легких элементов, мюонов, нейтронов, рентгеновского и г - излучения. Это так называемое вторичное космическое излучение достигает поверхности Земли.

Радиационный фон Земли  складывается из:

- Космическое излучение составляет - 410 мкЗв;

- г - излучение 40К - 150 мкЗв;

- радионуклиды ториевого и уранового рядов - 160 и 100 мкЗв;

- космогенные нуклиды: 3Н, 7Ве, 14С, 22Na - 15 мкЗв.

Космическое излучение, величина которого ограничивается присутствием магнитосферы, составляет значительную часть радиационного фона.

Эффекты воздействия ионизирующего  излучения на живой организм разделяют  на две категории: соматические, которые  возникают в организме человека, непосредственно подвергшегося  облучению, и генетические, проявляющиеся  у его потомков.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой  химической активностью, вступают в  химические реакции с молекулами белка и других структурных элементов  биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов  в организме. В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и  прекращается рост тканей, возникают  новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению  жизнедеятельности организма в  целом. Генетические последствия облучения  человека ионизирующей радиацией проявляются  в виде хромосомных повреждений, генных мутаций, приводя к изменениям в фенотипе человека. Степень изменений  зависит от важности вовлеченных  в мутагенез генов, масштабов  нарушений и характера наследования возникших мутаций. Авторы (Forster, et al. 2002), исследуя мтДНК людей, проживающих в условиях природного повышенного радиационного фона, показали, что воздействие ионизирующей радиации ускоряет механизм эволюционных мтДНК мутаций.

Степень воздействия поглощенного ионизирующего излучения зависит  от того, каким типом излучения  обусловлена доза. При одинаковой поглощенной дозе б - излучение гораздо  опаснее в - или г - излучений. Дозу следует умножать на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма.

Пересчитанную таким образом  дозу называют эффективной дозой. Единица  эффективной дозы - 1 зиверт. Согласно принятым в нашей стране нормам, предельно-допустимая доза для жителей России равна 5 мЗв/год (Бердоносов, Сапожников, 2001).

Доза, которая приводит к  гибели половины пораженного населения  в течение 60 дней, именуется дозой  ЛД50 (летальная доза, 50-процентное поражение). Для взрослого человека доза составляет ~ 4 Зв (Самнер и др., 1999).

Для млекопитающих и, в  частности, человека, есть данные, что  удвоение частоты самопроизвольных, спонтанных мутаций находится в  диапазоне 0,5-2,5 Зв (Гуськов, 2003).