КОСМИЧЕСКАЯ РАДИАЦИЯ

Что такое космическая радиация?

Краткий ответ: Это потоки высокоскоростных заряженных частиц и фотонов высокой энергии.

Очень часто от авторитетных людей — космонавтов, астрономов и даже президента страны — можно услышать утверждение, что на Марс человеку лететь нельзя: космическая радиация слишком опасна. Отсюда возникают вопросы и о возможности полетов людей на Луну в прошлом. В то же время пилотируемый полет на Марс проектировался еще при С. Королеве, затем предлагались различные программы по обе стороны океана, но представления о непреодолимой радиации витали где-то рядом. За полвека в межпланетном пространстве неоднократно проводились эксперименты по изучению космических лучей, поэтому сейчас можно утверждать уверенно: радиация не является непреодолимым препятствием в полете на Марс, не говоря уже о более кратковременном полете на Луну.

Распространенные в обществе представления о радиации в лучшем случае почерпнуты из методичек по гражданской обороне и на уроках ОБЖ, в худшем — из слухов про Чернобыльскую аварию. Чтобы разобраться, что такое космическая радиация, насколько она страшна и способны ли современные космические корабли от нее защищать, нужно узнать о ней подробнее.

Космическая радиация состоит из двух компонентов: это космические лучи (элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокой скоростью и энергией) и электромагнитное ионизирующее излучение (рентгеновские и гамма- кванты).

Основные компоненты опасного проникающего космического излучения подразделяются по размеру, массе и скорости (энергии) заряженной частицы или кванта:

• на рентгеновские лучи — электромагнитные кванты с энергией выше, чем у ультрафиолетовых фотонов, но ниже гамма-диапазона;
• гамма-лучи — кванты более высокой энергии, чем рентген, вплоть до максимально возможной;
• протоны высоких энергий — положительно заряженные частицы, ядра атома водорода;
• нейтроны — субатомные частицы без электрического заряда;
• альфа-частицы — положительно заряженные частицы, ядра атома гелия;
• бета-частицы — отрицательно заряженные субатомные частицы (электроны) или положительно заряженные субатомные частицы (позитроны);
• ядра атомов химических элементов тяжелее гелия, которые вместе с альфа-частицами называют «тяжелые заряженные частицы».

Между квантами излучения (рентгеновского и гамма-) и частицами (протонами, электронами, нейтронами, ядрами атомов гелия и тяжелее) существует принципиальная разница, хотя все вместе они и называются радиацией, или ионизирующим излучением. Первые — это безмассовые кванты электромагнитного излучения, движущиеся со световой скоростью (300 000 км/с), а вторые — элементарные частицы вещества, обладающие массой и движущиеся с досветовой, хотя и высокой скоростью. Эта разница определяет степень биологического воздействия. Хотя гамма-лучи обладают высоким проникающим эффектом, больший вред способны нанести протоны, нейтроны и тяжелые заряженные частицы.

Рентгеновское и гамма-излучение

В целом распространенный стереотип о радиации, от которой надо защищаться свинцовыми стенами, метрами бетона или кубометрами воды, соответствует только самому проникающему типу — гамма-лучам. Кванты рентгеновского излучения имеют меньшую энергию. В ближнем космосе, внутри Солнечной системы, воздействие гамма-лучей незначительно. Самые яркие космические источники гамма- излучения видимого небосвода — это ядро нашей Галактики, черные дыры и блазары, все они удалены от нас на десятки тысяч или даже миллиарды световых лет. Солнце — довольно слабый источник гамма-лучей, за исключением кратковременных вспышек. Это наглядно можно увидеть в съемках гамма-телескопа NASA Fermi.

Рентгеновские и гамма-лучи также возникают и при воздействии частиц космического излучения на обшивку космического корабля, земную атмосферу или грунт Луны — это так называемое вторичное излучение. Однако их плотность невысока, и серьезная накопленная доза излучения возникает только в очень длительных многомесячных экспедициях. Воздействие гамма-лучей вторичного излучения переживает каждый пилот и пассажир обычных самолетов, летящих на высоте около 10 км над землей. Это гамма-излучение в земной атмосфере возникает из-за воздействия космических частиц высокой энергии на атомы газов воздуха верхних слоев атмосферы.

Бета-частицы, или бета-лучи

В основной своей массе это свободные электроны, движущиеся на высоких скоростях, близких к световой. Несмотря на высокую скорость, имеют малую массу и малую проникающую способность, а потому поглощаются внешними слоями обшивки космических аппаратов и кораблей. Электроны, захваченные земным магнитным полем, наполняют внешний радиационный пояс Земли.

Протоны и тяжелые заряженные частицы

Протоны и тяжелые заряженные частицы представляют опасность не только сами по себе, но и как источник вторичного излучения: они выбивают потоки опасных вторичных частиц (протонов, электронов, нейтронов, мюонов, пионов и др.) и квантов высокой энергии (рентгеновских и гамма-) при столкновении с ядрами атомов других элементов. Поэтому в космонавтике не используются экраны из свинца и других тяжелых металлов: их высокая плотность дает большой поток вторичного излучения от тяжелых заряженных частиц. В некоторых случаях проще пропустить через организм или электронную плату одну частицу высокой энергии, чем получить от нее опасный пучок частиц и лучей.

Протоны относятся к наиболее распространенному типу космической радиации, главный их источник — Солнце. Солнечные протоны в основной своей массе имеют относительно невысокую энергию, их скорость — от сотен до нескольких тысяч километров в секунду. Однако протонные события способны порождать потоки высокоэнергичных протонов со скоростями более сотни тысяч километров в секунду. Наибольшая доля частиц галактического излучения также относится к протонам, но они имеют гораздо более высокую энергию и скорость, близкую к световой.

Нейтроны

Нейтронное излучение довольно опасно для организма, поскольку имеет высокую проникающую способность и может порождать наведенную радиоактивность. К счастью, от Солнца нейтроны долететь до нас не успевают: время их существования в свободном состоянии не более 15 минут. Зато нейтроны возникают от взаимодействия других энергичных частиц с обшивкой корабля, атмосферой Земли или поверхностью Марса или Луны. Наиболее эффективным средством защиты от нейтронного излучения являются самые легкие элементы, например водород, в том числе в составе воды.

Защита от нейтронного излучения с помощью воды — довольно простой, но эффективный способ защиты в дальних полетах большой длительности. На российском сегменте МКС ставился эксперимент «Шторка защитная»: размещали дополнительную защиту спального места космонавта из… слоя пачек влажных салфеток. Оказалось, что даже такое, казалось бы, незначительное препятствие, прикрывающее космонавта только во время сна со стороны внешней обшивки, обеспечило сокращение на 40% потока нейтронного излучения.