Космическая радиация
Космическая радиация представляет большую проблему для астронавтов. На Земле атмосфера и магнитное поле создают своеобразный щит, отражающий почти все радиоактивное излучение за исключением видимого света и радиоволн. В космосе же астронавты постоянно подвергаются его пагубному воздействию. Источников космической радиации три: галактические лучи, солнечное излучение и радиационные пояса.
Точки равновесия
Учеловека имеется два органа равновесия – по обеим сторонам головы. Они называются вестибулярным аппаратом и находятся во внутреннем ухе. Вестибулярный аппарат состоит из двух отолитовых органов и трех полукружных каналов, и его назначение – передавать информацию о движениях и расположении тела в пространстве.Отолитовые органы представляют собой заполненные жидкостью мешочки с чувствительными участками на стенках. Эти участки образованы группами клеток, покрытых тончайшими сенсорными волосками – ресничками. Реснички уходят в слой желеобразного вещества, обволакивающего поверхность клетки. В эту желеобразную массу вкраплены крошечные, размером с пылинку, кристаллы карбоната кальция, известные как отолиты («ушные камни», если буквально). Они служат рецепторами гравитации.Когда мы держим голову прямо, реснички стоят вертикально, поддерживаемые желеобразной массой, покрывающей поверхность клетки. Но стоит наклонить голову, и кристаллы под действием силы притяжения съезжают вбок, задевая и тем самым возбуждая реснички. Отолиты реагируют и на вертикальное воздействие: когда лифт уносит нас вниз, отолиты тянут волоски вверх, вызывая то самое ощущение, будто желудок подкатывает к диафрагме.В космосе отолиты перестают давить на чувствительные волоски, и сигналы о положении тела в пространстве, поступающие в мозг от отолитового органа и от органов зрения, начинают расходиться. Считается, что именно это расхождение и вызывает космическую болезнь.Полукружные каналы реагируют на угловое ускорение. Каналов этих три, и они расположены под прямым углом друг к другу по трем осям, что позволяет отслеживать движение в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, когда мы киваем головой, склоняем голову набок или мотаем ею из стороны в сторону (в авиационных терминах это называется «тангаж», «крен» и «рыскание»).Полукружный канал представляет собой заполненную жидкостью полую трубку, на конце которой имеется утолщение (ампула), а в нем – сенсорные клетки. Они покрыты множеством тончайших ресничек, сообщающихся с центром канала. Внутриканальная жидкость, приходя в движение, цепляет реснички, которые возбуждают сенсорные клетки.
Когда мы поворачиваем голову, череп движется, однако жидкость в полукружных каналах по инерции запаздывает. Соответственно, отклоняясь, она цепляет реснички, возбуждая сенсорные клетки и вызывая ощущение движения. Если продолжить поворот, жидкость «догонит» череп и будет двигаться с той же скоростью. Поворот перестанет ощущаться. Это значит, что полукружные каналы отмечают изменения в угловой скорости, но к продолжительному вращению нечувствительны. Поэтому пилот поворачивающего самолета, к примеру, через 15–30 секунд перестает ощущать поворот и должен определять обстановку по приборам и визуальным ориентирам.Когда тело перестает вращаться, жидкость в полукружных каналах снова запаздывает по инерции, вызывая ощущение, что вы все еще кружитесь. Именно поэтому по выходе из штопора пилоту кажется, что самолет теперь поворачивает в противоположном направлении. Примерно то же самое происходит, если покружиться на месте и резко остановиться.На Земле, когда мы киваем головой вверх-вниз или наклоняем вбок, возбуждаются и гравитационные рецепторы, и рецепторы углового ускорения. При микрогравитации гравитационные рецепторы отключаются, однако угловое ускорение по-прежнему ощутимо. Сигналы, поступающие в мозг, оказываются половинчатыми, непривычными, что также объясняет, почему космическая болезнь может начаться с кивка головой. Со временем мозг приспосабливается к новым сигналам, и космическая болезнь проходит.Данные от вестибулярного аппарата скоординированы с движениями глаз, чтобы мир не переворачивался, когда мы наклоняем голову. Когда мы поворачиваем голову вправо, компенсаторный рефлекс с той же скоростью смещает взгляд влево, чтобы картина мира оставалась прежней. Именно поэтому, когда мы кружимся, а потом останавливаемся, все вокруг будто продолжает кружиться – это наш взгляд движется в противоположном направлении.По рассказам астронавтов, в космическом полете нарушается и эта связь между вестибулярным аппаратом и движениями глаз: при повороте головы кажется, что движется мир вокруг, а не сам человек.
Галактические лучи рождаются за пределами Солнечной системы и обрушиваются на земную атмосферу непрерывным потоком. Они могут возникнуть при вспышке сверхновой или испускаться другими звездами Галактики. Большей частью они состоят из протонов (ядер водорода) и альфа-частиц (ядер гелия) и несут огромный заряд энергии. Достигая верхних слоев земной атмосферы, эти первичные частицы сталкиваются с ядрами атомов газа, рассыпаясь дождем вторичных частиц, включающих протоны, нейтроны, электроны, мю-мезоны, пи-мезоны и нейтрино. Таким образом, первичные космические лучи не проникают сквозь атмосферу, и до поверхности Земли долетает лишь небольшая доля вторичных частиц. Однако в космосе для защиты астронавтов от галактической радиации приходится создавать специальную оболочку.
Солнце испускает непрерывный поток заряженных энергией ионизирующих частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и распространяющийся по спирали со скоростью около 450 км / с. В обычном состоянии солнечный ветер на подходе к Земле содержит около пяти частиц на кубический сантиметр. Однако время от времени на поверхности Солнца случаются гигантские вспышки, выбрасывающие в межпланетное пространство огромное количество частиц. Эти вспышки, равные по мощности миллиарду мегатонных термоядерных реакций, сопровождаются выбросом до 10 млрд т частиц в течение нескольких секунд. Во время таких солнечных бурь на Землю обрушивается гораздо более сильный поток радиации. Прогнозировать такие вспышки, как и земную погоду, довольно сложно. Тем не менее известно, что цикл изменений солнечной активности составляет примерно 11 лет.
На Земле мы живем под защитой магнитного поля, препятствующего проникновению космической радиации. Оно задерживает заряженные частицы, собирая их в облако. Огромное количество этих частиц, в основном высокоэнергичных протонов и электронов, сосредоточено в двух различных областях над Землей, известных как внутренний и внешний радиационные пояса, открытые Джеймсом ван Алленом и его студентами в 1958 г. Каждый из поясов представляет собой «бублик» (выражаясь научным языком, тороид), охватывающий Землю и совмещенный по центральной оси с экватором. Внутренний пояс отстоит от поверхности Земли минимум на 300 км, а внешний простирается в космос на 45 000 км, то есть примерно на одну шестую расстояния до Луны.
Чтобы понять, как заряженные частицы улавливаются поясами Ван Аллена, представьте Землю в виде магнитного бруска, оканчивающегося на Северном и Южном полюсах. От одного торца магнита к другому проходят силовые линии. Они невидимы, однако их можно заставить проявиться с помощью железных опилок. Кроме того, их умеют обнаруживать некоторые виды бактерий и животных, обладающих «магнитным чувством». Линии магнитного поля Земли служат барьером для заряженных частиц в космических лучах. Частицы притягиваются к полюсам, вращаясь и кружась. На полюсах некоторые из них все же прорываются в земную атмосферу, однако большинство устремляется вдоль силовой линии в обратный путь. Этот бесконечный круговорот протонов и образует пояса Ван Аллена.
Для астронавтов и спутников радиационные пояса представляют серьезную опасность, грозя облучением до 200 мЗв / ч. Поэтому высота орбитальных полетов не превышает 400 км. На этих низких орбитах радиация в основном невелика – за исключением одного участка над Южной Атлантикой. Шаттл, совершая витки по орбите, проходит над этим участком около шести раз в день, и именно там экипаж собирает основную дозу получаемой в космическом полете радиации. На других девяти орбитах шаттл через Южно-Атлантическую аномалию не проходит, поэтому все внебортовые работы совершаются на этих орбитах.
Хотя в космосе уровень радиации обычно низок, долговременное воздействие может повлиять на генетический материал (ДНК), повышая риск развития рака, а поражение ДНК половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов) грозит бесплодием или рождением у астронавтов детей с генетическими отклонениями. Непосредственную опасность представляет интенсивное облучение от солнечных вспышек, поскольку оно убивает клетки сразу – смерть может наступить через несколько часов в результате поражения центральной нервной системы или через несколько дней из-за гибели лейкоцитов или быстро делящихся клеток, выстилающих стенки кишечника. Попав под облучение от солнечной вспышки, астронавт через несколько часов погибнет от острой лучевой болезни. Более того, поскольку всплеск солнечной активности может продолжаться не один час и даже не один день, кумулятивное воздействие низких доз облучения тоже может оказаться критическим. К счастью, солнечные вспышки случаются достаточно редко.
Обычно для обнаружения космической радиации необходимы специальные приборы, однако в некоторых случаях ее можно увидеть и невооруженным глазом. Базз Олдрин и Нил Армстронг по дороге на Луну и обратно в спускаемом аппарате «Игл» наблюдали необычные белые вспышки, похожие на звезды. Похожие белые сполохи или короткие световые полосы замечали (причем обычно с закрытыми глазами) и другие астронавты в последующих лунных экспедициях по программе «Аполлон». Вспышки возникали с частотой одна-две в минуту. Предположительно, их вызывали галактические лучи, проходящие сквозь стены корабля и достигающие глаз астронавтов. Подтверждением этой гипотезе служат схожие световые вспышки, наблюдаемые добровольцами, подвергающимися воздействию искусственно созданных пучков частиц. О таких же вспышках докладывали и экипажи некоторых шаттлов, особенно при проходе через Южно-Атлантическую аномалию и по самой низкой орбите над полюсами. В их случае, судя по всему, источником вспышек служили радиационные пояса. На какие именно элементы органов зрения воздействует ионизирующая радиация, науке пока неизвестно, однако, по общему мнению, заряженные частицы возбуждают сетчатку.
Галактические лучи и солнечные частицы высокоэнергетичны, поэтому обеспечить надежную защиту от них в космическом корабле нелегко. Чтобы спастись от прямого воздействия солнечной вспышки, требуется алюминиевый кожух плотностью по крайней мере 10–15 г / см2 – при более длительном воздействии, соответственно, более толстый. Учитывая ограничения по весу в космическом полете, применять такой щит постоянно было бы нецелесообразно, поэтому экипаж неизбежно подвергается воздействию космической радиации. У всех астронавтов имеются при себе дозиметры, чтобы отслеживать уровень облучения. До сих пор оно не превышало допустимых границ, хотя в длительном полете астронавт может получить весьма значительную дозу. Например, экипажи «Аполлонов», пробывшие в космосе менее двух недель, получили только по 6 греев, тогда как у экипажа «Скайлаб-4», летавшего 84 дня, доза облучения составила целых 77 греев. У русских космонавтов, отправляемых в космос на еще более долгие сроки, дозы облучения тоже оказались пропорционально более высокими. У некоторых из них впоследствии обнаружили рак, однако доподлинно не известно, космическое ли излучение стало тому причиной. Из-за опасного воздействия космической радиации, возможно, стоит отправляться в долгосрочные космические полеты в более преклонном возрасте, когда естественная смерть может опередить развитие рака. В том числе и поэтому для полета на Марс имеет смысл отбирать астронавтов старшего возраста.
Сверхзвуковые самолеты типа «Конкорда» летают в верхних слоях земной атмосферы, поэтому они тоже не защищены от космического излучения. Средняя доза, достающаяся пассажирам и экипажу, – около десяти микрозивертов (мкЗв) в час. За время перелета из Лондона до Нью-Йорка наберется примерно 35 мкЗв. Максимально допустимая доза для обычного человека составляет 1 миллизиверт (мЗв), или тысяча мкЗв, поэтому, чтобы превысить норму, нужно 14 раз слетать маршрутом Лондон – Нью-Йорк туда-обратно. Другими словами, годовая норма позволяет провести в воздухе 100 часов. Разумеется, и экипаж, и те, кому приходится летать часто, легко могут эту норму превысить. Однако рекомендуемый максимум «рабочей» дозы облучения несколько выше – 20 мЗв в год, то есть свыше пяти рейсов в Нью-Йорк в оба конца за неделю, а это уже мало кто набирает. И действительно, даже у экипажей «Конкордов», налетавших максимальное количество часов, годовая доза облучения составляла не больше 7 мЗв.
Однако случайная солнечная буря могла существенно и стремительно повысить радиационный фон, доведя его до 25 мЗв / ч. На такой случай в «Конкордах» имелась система радиационного предупреждения, улавливающая как нейтроны, так и ионизирующую радиацию (протоны и т. д.), установленная в пассажирском салоне и подсоединенная к монитору в кабине. При превышении уровня радиации в 0,5 мЗв / ч., экипаж должен был опустить самолет ниже, под защиту атмосферных слоев. Однако за все годы эксплуатации «Конкордов» такой надобности не возникло.
На отметке 10 400 м (высота полета большинства пассажирских самолетов) космическое излучение составляет примерно половину от того, что достается «Конкордам» и сверхзвуковым истребителям. Однако суммарное излучение получается примерно таким же, поскольку полет длится дольше. Это значит, что независимо от того, летите вы «Конкордом» или обычным самолетом, доза облучения вам достанется примерно одинаковая. При этом радиационными мониторами обычные самолеты не оборудуются – отчасти в силу традиции, отчасти потому что опасность невысока. Кроме того, в наше время прогнозы солнечных вспышек достаточно точны, и самолеты получат предупреждение задолго до того, как поток достигнет Земли. (Путь от Солнца до Земли занимает у солнечных частиц около двух дней.) Трудность с прогнозами солнечных бурь состоит в другом: их направление непредсказуемо и поток частиц может миновать Землю. Поэтому перед космическими метеорологами встает дилемма: объявлять или не объявлять предупреждение, а если объявлять, то когда.
Астронавты, экипажи самолетов и те, кто часто летает, неизбежно подвергаются облучению в больших дозах, чем обычное население. Насколько это повышает риск развития рака, пока точно не установлено, однако уже известно, что риск этот достаточно мал, чтобы пренебрегать преимуществами авиаперелетов. Кроме того, данную проблему следует рассматривать в соответствующем контексте. Миллионное население Ла-Паса, столицы Боливии, расположенной на высоте 3900 м, ежегодно получает дозу космической радиации, равную 2 мЗв, – примерно столько же достается экипажам межконтинентальных рейсов. Население юго-западной оконечности Британии получает еще более высокие дозы – около 7 мЗв в год – от естественного излучения гранитных скал. Нелишне отметить также, что, в отличие от находящихся в положении стюардесс, которым, чтобы обезопасить будущего ребенка, сокращают норму налета, беременным жительницам Корнуолла никуда от воздействия естественной радиации не деться.
Назад: Цена успеха
Дальше: Шаг в пустоту
