КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - корпускулярные потоки ионизирующего излучения космического происхождения.
Открытие К. и. относится к началу 20 в.; оно явилось побочным результатом исследований ионизации воздуха, обусловленной радиоактивными излучениями пород Земли. Изучая зависимость степени ионизации воздуха от высоты над поверхностью Земли, исследователи обнаружили, что лишь на небольших высотах величина ионизации падает с увеличением высоты. Австрийский физик Гесс (V. F. Hess) в экспериментах на шарах-зондах (1911 - 1912) показал, что начиная с нек-рой высоты интенсивность ионизирующего излучения вновь возрастает и на высоте 1500 м достигает наземного уровня. Гесс высказал предположение, что ионизация обусловлена излучением, входящим в атмосферу Земли из космического пространства. Впоследствии это излучение стали называть К. и.
По совр, представлениям различают три основных вида К. и.: галактическое космическое излучение (ГКИ), солнечное космическое излучение (СКИ) и радиационные пояса Земли (РПЗ).
ГКИ - наиболее высокоэнергетичная составляющая корпускулярного потока в межпланетном пространстве - представляет собой ускоренные до высокой энергии ядра хим. элементов, среди которых преобладают водород и гелий. ГКИ по своей проникающей способности превосходит все другие виды излучений, кроме нейтрино. Для полного поглощения ГКИ потребовался бы свинцовый экран толщиной ок. 15 м. Энергия частиц ГКИ составляет в среднем ок. 10 млрд. эв, энергия отдельных частиц может достигать 10^20 эв и выше.
Считают, что ГКИ образуется в пределах нашей Галактики в результате взрывов сверхновых звезд.
По мере увеличения расстояния от Солнца потоки ГКИ возрастают. Это обусловлено тем, что магнитные поля в солнечной системе препятствуют проникновению заряженных частиц ГКИ во внутренние области солнечной системы, в частности в окрестности Земли.
Значительная часть частиц ГКИ, приходящих в окрестности Земли, отклоняется ее магнитным полем и поглощается в атмосфере, толщина к-рой эквивалентна 10 м воды. Взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы, ГКИ образует так наз. вторичное излучение, в состав к-рого входят мезоны, нейтроны, протоны, электроны и т. д. (см. Ионизирующие излучения). Доза ГКИ и образованных им вторичных излучений на уровне моря невелика и не представляет какой-либо опасности для здоровья людей (см. Дозы ионизирующих излучений).
В межпланетном пространстве за пределами защитных слоев атмосферы Земли и вне зоны влияния геомагнитного поля доза ГКИ достигает 50-100 бэр в год, что создает определенную опасность для космонавтов, особенно при длительных космических полетах. Поэтому для экипажей космических кораблей должна предусматриваться специальная защита (см. Противолучевая защита).
СКИ составляет высокоэнергетичную часть корпускулярного излучения Солнца и возникает при так наз. хромосферных вспышках на Солнце, представляющих собой гигантские взрывы на его поверхности, сопровождаемые выбросом части солнечного вещества, оптическими явлениями, магнитными бурями и т. д. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока СКИ может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока ГКИ. СКИ состоит из протонов (см. Протонное излучение) и в меньшей степени из ядер гелия (см. Альфа-излучение) и более тяжелых ядер.
Наибольшую радиационную опасность для человека в условиях космического полета представляют солнечные протоны высоких энергий, свободно проникающие через оболочку обитаемых отсеков совр, космических аппаратов. Считают, что энергия таких протонов условно может быть принята равной 100 Мэе. За последние два одиннадцатилетних цикла солнечной активности наблюдали более ста вспышек СКИ, в которых определялись протоны с энергией ок. 100 Мэв и более. Для некоторых солнечных вспышек эквивалентная доза СКИ составляет сотни, а для многих - десятки бэр за вспышку. Поэтому необходимо применять специальные меры по обеспечению радиационной безопасности космонавтов при длительных космических полетах, включая создание радиационного убежища для укрытия экипажа во время мощных солнечных вспышек, постоянное функционирование службы прогноза и контроля ухудшений радиационной обстановки и т. п. При несоблюдении мер радиационной безопасности возможно развитие лучевых поражений (см. Лучевые повреждения , Пострадиационные эффекты).
РПЗ - потоки заряженных частиц (протонов и электронов), захваченных магнитным полем Земли и образующих области повышенного ионизирующего излучения. Рассматривают две области РПЗ: внутренний и внешний радиационные пояса Земли. РПЗ является основным постоянным источником радиационной опасности при полетах в околоземном пространстве.
Энергия протонов, составляющих внутренний РПЗ, достигает нескольких сот Мэе. Пояс простирается на расстояниях от нескольких сот до нескольких тысяч километров от поверхности Земли.
В центральной зоне РПЗ, находящейся на расстоянии 2-3 тыс. км от поверхности Земли, мощность эквивалентной дозы протонного излучения достигает нескольких сотен бэр в сутки, поэтому радиационная опасность в этой области пространства исключительно большая. Полет пилотируемых космических кораблей в центральной зоне внутреннего РПЗ без специальной защиты невозможен. Вместе с тем кратковременное пересечение внутреннего РПЗ вполне осуществимо, особенно если трасса полета не проходит через его центральную зону или если экипаж в момент пересечения пояса находится в защищенном отсеке.
При уменьшении высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до 400-450 км радиационная опасность резко уменьшается, а допустимая продолжительность полетов пилотируемых космических кораблей без специальной защиты соответственно увеличивается.
Пространственное распределение электронов в РПЗ характеризуется двумя четко выраженными максимумами, первый из которых находится в зоне внутреннего пояса на расстоянии ок. 3 тыс. км, а второй - в зоне внешнего пояса на расстоянии ок. 22 тыс. км от поверхности Земли. Вблизи первого максимума мощность эквивалентной дозы достигает десятков и даже сотен тысяч бэр в сутки, поэтому радиационная опасность от электронов в этой области околоземного пространства исключительно высока. Вблизи второго максимума мощность эквивалентной дозы ниже и составляет ок. 10 4 бэр в сутки. Высокие значения мощности эквивалентной дозы излучения электронов характерны для значительной части околоземного пространства. Это необходимо учитывать как при планировании выхода космонавтов в открытый космос в этой части околоземного пространства, так и при создании радиационной защиты обитаемых отсеков орбитальных станций.
Библиография: Ковалев E. Е. Радиационный риск на земле и в космосе, М., 1976, библиогр.; Основы космической биологии и медицины, под ред. О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 1, с. 47, М., 1975, библиогр.
Космические агентства заявляют о возможности пилотируемого полета на Луну и Марс уже совсем в недалеком будущем, а средства массовой информации вселяют страх в умы обывателей статьями о космическом излучении, магнитных бурях и солнечном ветре. Попробуем разобраться в понятиях ядерной физики и оценить опасности.
Энциклопедические сведения
Под понятие космического излучения подпадает любое электромагнитное излучение, которое имеет внеземное происхождение. Это потоки заряженных и незаряженных частиц различных энергий, которые движутся в космическом пространстве и достигают магнитной оболочки нашей планеты, а иногда и поверхности Земли. Органы чувств человека их не ощущают. Источниками космического излучения служат звезды и галактики.
История открытия
Первенство открытия существования космических так тоже называют) принадлежит австрийскому физику В. Гессу (1883-1964). В 1913 году он исследовал электропроводность воздуха. В соавторстве с американским физиком Карлом Дэйвидом Андерсеноном (1905-1991) он доказал, что электропроводность воздуха возникает в результате воздействия на атмосферу космического ионизирующего излучения. За свои исследования оба ученых в 1936 году получили Нобелевскую премию. Дальнейшие исследования в области свойств материи и позволили уже в 50-х годах прошлого столетия выявить спектр этих излучений и происхождение позитронов, пионов, мюонов, гиперонов и мезонов.
Галактическое космическое излучение
Энергия космического потока в ядерной физике измеряется в электронвольтах и равна 0,00001-100 квинтиллионов. Поток частиц первичного (галактического) космического излучения состоит из ядер гелия и водорода. Поток излучения ослабляют магнитосфера нашей Солнечной системы, магнитные поля Солнца и планет. Атмосфера Земли и ее магнитное поле оберегает жизнь на нашей планете. Попадая в атмосферу, частицы испытывают каскадные ядерные превращения, названные вторичным излучением. Космические тела и излучения при взрывах сверхновых звезд внутри галактики Млечный путь служат источником этого бета- и гамма-частиц, которые достигают нашей планеты в виде так называемого атмосферного ливня. В магнитном поле Земли альфа- и бета-частицы отклоняются к полюсам, в отличие от нейтральных гамма-частиц.
Солнечное космическое излучение
Близкое по природе к галактическому, оно возникает в хромосфере Солнца и сопровождается взрывом плазменного вещества, за которым следуют выбросы протуберанцев и магнитные бури. При обычной солнечной активности плотность и энергия этого потока небольшие, и их уравновешивает галактическое космическое излучение. При вспышках плотность потока сильно возрастает и превосходит излучение, приходящее из Галактики.
Для жителей планеты опасности нет
И это действительно так. С момента обнаружения космического излучения ученые не перестают его изучать. Последние исследования подтверждают, что вредоносное действие этих потоков поглощается атмосферой планеты и озоновым слоем. Вред оно может нанести космонавтам и объектам, которые находятся на высоте более 10 километров. Наглядно представить себе процесс каскадного разрушения этого опасного потока частиц в атмосфере довольно легко. Представьте, что с огромной лестницы вы сбросили башню из конструктора "Лего". На каждой ступеньке от нее будет отлетать множество кусочков. Именно так заряженные частицы космического излучения сталкиваются в атмосфере с ее атомами и теряют свой губительный потенциал.
А как же космонавты?
Человек присутствует в космосе в пределах магнитного поля Земли. Даже хоть и находится за пределами атмосферы, но попадает под воздействие магнитного поля планеты. Исключения - полеты астронавтов на Луну. Кроме того, имеет значение и длительность воздействия. Самый продолжительный полет в космосе продлился немногом более года. Исследования здоровья астронавтов, проведенные космическим агентством НАСА, показали, что чем выше доза полученной космической радиации, тем больше вероятность развития у них катаракты. Данных пока еще не достаточно, хотя именно космическое излучение считают главной опасностью при межпланетных путешествиях.
Кто долетит до Марса?
Федеральное управление авиации США утверждает, что после 32-хмесячного полета на красную планету астронавты получат такую дозу космической радиации, которая приведет к смертельной форме рака у 10% мужчин и 17% женщин. Кроме того, значительно возрастает риск развития катаракты, вероятность бесплодия и генетических аномалий у потомства. Добавим к этому нарушения в процессах нейрогенеза в гиппокампе - месте, где рождаются нейроны, и снижение долговременной памяти. Для того, чтобы снизить уровень этого воздействия, конструкторам еще необходимо изобрести защитную броню для более высокоскоростных космических кораблей и новые эффективные нейропротекторы для астронавтов.
Частицы из космоса ломают гаджеты
Профессор из Университета Вадрербильта (США) Бхарат Бхува выяснил, что электронные устройства могут выйти из строя под воздействием космического излучения. Согласно данным его исследований, излучения способны создать помехи в интегральных схемах высокоточных электронных устройств, что приводит к изменению данных в их памяти. В доказательство приводятся следующие факты:
Подводя итог
Теперь у системных администраторов и программистов есть объяснение глюков и сбоев в работе компьютерной техники. Во всем виновата А если без шуток - давайте помнить, что жизнь на планете Земля вообще и наш организм в частности - это очень хрупкие биологические системы. Миллиарды лет биологической эволюции испытывали на прочность все формы органической жизни в условиях нашей планеты. Мы можем уберечься от очень многого, но всегда остаются угрозы, которых стоит опасаться. А чтобы правильно защититься, об угрозах нужно знать. Осведомлен - значит вооружен. А к Марсу астронавты все равно полетят, может, не к 2030 году, но полетят точно! Ведь мы, люди, всегда будем стремиться к звездам!
]Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц .
Физика космических лучей изучает:
- процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;
- частицы космических лучей, их природу и свойства;
- явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.
Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшими экспериментальными задачами.
Классификация по происхождению космических лучей:
- вне нашей Галактики;
- в Галактике;
- на Солнце;
- в межпланетном пространстве.
Первичными принято называть внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.
Вторичными космическими лучами принято называть потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.
Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.
До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.
Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов , ещё на 23 % - из энергии ядер гелия (альфа-частиц) и на 34 % из 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 . При изучении источников космических лучей вне Солнечной системы протонно-ядерная компонента в основном обнаруживается по создаваемому ею потоку гамма-лучей орбитальными гамма-телескопами, а электронная компонента - по порождаемому ею синхротронному излучению , которое приходится на радиодиапазон (в частности, на метровые волны - при излучении в магнитном поле межзвёздной среды), а при сильных магнитных полях в районе источника космических лучей - и на более высокочастотные диапазоны. Поэтому электронная компонента может обнаруживаться и наземными астрономическими инструментами .
Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: p (Z = 1) , {\displaystyle (Z=1),} α (Z = 2) , {\displaystyle (Z=2),} L (Z = 3...5) , {\displaystyle (Z=3...5),} M (Z = 6...9) , {\displaystyle (Z=6...9),} H (Z ⩾ 10) , {\displaystyle (Z\geqslant 10),} VH (Z ⩾ 20) {\displaystyle (Z\geqslant 20)} (соответственно, протоны, альфа-частицы, лёгкие, средние, тяжёлые и сверхтяжёлые). 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 тяжёлые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра . Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии .
История физики космических лучей [ | ]
Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911-1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.
В 1921-1925 годах американский физик Милликен , изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами.
В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления - открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц.
Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.
Космические лучи ультравысоких энергий [ | ]
Энергия некоторых частиц превышает предел ГЗК (Грайзена - Зацепина - Кузьмина) - теоретический предел энергии для космических лучей 5⋅10 19 эВ , вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения . Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA (англ.) русск. . Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.
Регистрация космических лучей [ | ]
Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего - газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии , поднимаемые в стратосферу или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см² , рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов , которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение , регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.
Значение для космических полётов [ | ]
Визуальный феномен космических лучей (англ. ) [ | ]
Космонавты МКС , когда закрывают глаза, не чаще, чем раз в 3 минуты, видят вспышки света , возможно, это явление связано с воздействием частиц высоких энергий, попадающих в сетчатку глаза. Однако экспериментально это не подтверждено, возможно, что этот эффект имеет под собой исключительно психологические основы.
Радиация [ | ]
Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей - учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.
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,
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.).
Представляет собою ионизирующее излучение, поступающее из бескрайнего космического пространства. Его принято подразделять на:
- Галактическое излучение (оно состоит из атомных ядер, обладающих высокой энергией и практически каждого элемента таблицы Менделеева),
- Излучение хромосферных вспышек на поверхности , (они содержат в себе протоны разных энергий и излучения исходящие от радиационных поясов планеты такие как: протоны и электроны).
От вредоносного воздействия космического излучения любое живое существо, находящееся на Земле надежно защищено магнитным полем и прочной атмосферой Земли. Космические лучи то и дело бомбардируют другие планеты, не имеющие атмосферы. Ученые мужи нашего времени предполагают, что постоянное космическое излучение как раз и является той причиной, которая ограничивает шансы нахождения на других планетах живых организмов.
Космическое излучение – получает ли его Земля из космоса?
С того самого момента, когда космическое излучение было открыто учеными, они не перестают их изучать. Результаты последних изучений подтверждают, что все заряженные субатомные частички движутся в космическом пространстве со скоростью, примерно равной скорости света. Также были замечены такие космические лучи, энергия которых меньше значения в 100 ТэВ. В основном эти лучи состояли из протонов, электронов, ядер химических элементов, фотонами и нейтринами.
Кроме того, до сих пор не исключается возможность выявления частиц как тяжелой, так и сверхтяжелой темных материй. Нахождение этих частиц устранило бы целый ряд белых пятен в изучении космического излучения.
Когда космические лучи достигают поверхности атмосферы Земли, они становятся источником потока других частиц. Например, мюонов. Они считаются куда более тяжелыми частицами, чем электроны. Незначительная часть этих частиц достигает поверхности Земли. Их воздействие может быть весьма опасным для всех живых организмов, находящихся как на поверхности почвы, так и в водоемах. Но даже их вредоносное воздействие поглощается атмосферой Земли и ее озоновым слоем
Космическое излучение и его влияние на человека
Как это ни странно, на данный момент космические излучения практически не влияют на процессы жизнедеятельности живых организмов, находящихся на Земле.
Это можно объяснить тем, что практически все космические лучи поглощаются атмосферой.
Воздействие космической радиации может нанести вред только на космонавтов и искусственные космические объекты, находящие на высоте, превышающей 10 км от уровня моря.
В последние годы, метеорологи регистрируют минимум вредоносных космических излучений. Поэтому, не стоит слишком сильно бояться находиться на солнце разумное время. В этом случае, активность космического излучения не принесет человеку никакого ощутимого вреда. Однако если на улице стоит слишком большая жара стоит позаботиться о том, чтобы не избежать теплового или солнечного удара, а также солнечных ожогов по причине долгого пребывания на пляже
