Каковы источники космической радиации?

Краткий ответ: Потоки космической радиации идут от Солнца и из межзвездного пространства, а также возникают от взаимодействия космической радиации с атмосферой и поверхностью космических тел.

Космическая радиация, с которой предстоит столкнуться каждому путешественнику на околоземной орбите или в пути к Луне, Марсу и далее, происходит из нескольких источников:

• солнечное излучение — в первую очередь опасны потоки заряженных частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Рентгеновское и гамма-излучение Солнца так слабо, что не оказывает заметного воздействия на людей внутри корабля или скафандра;
• галактическая радиация, прилетающая извне Солнечной системы — из нашей Галактики и из-за ее пределов;
• радиационные пояса Земли — заряженные частицы, захваченные и удерживаемые земным магнитным полем; источники этих заряженных частиц — солнечное излучение и вторичные заряженные частицы, которые рождаются в ходе бомбардировки земной атмосферы солнечными и галактическими космическими лучами.

Солнечное излучение

Солнце, кроме квантов, выбрасывает и потоки частиц: нейтрино, нейтронов, протонов, альфа- и бета-частиц; эти выбросы являются результатом либо термоядерных реакций в недрах Солнца, либо процессов на поверхности нашего светила и в его короне. Наиболее интенсивно Солнце извергает в космос потоки плазмы — заряженных атомов водорода, гелия и свободные электроны. Если плазма имеет низкую скорость — сотни километров в секунду, то ее называют солнечным ветром. Выброшенная Солнцем плазма со скоростями от тысячи до сотен тысяч километров в секунду — это уже солнечная радиация.

В районе орбиты Земли 90% всех заряженных частиц космической радиации — от Солнца. Наша звезда выбрасывает потоки космических частиц нерегулярно и разными способами: солнечные вспышки — взрывные события на поверхности Солнца — приводят к корональным выбросам массы и протонным событиям. Корональные выбросы массы содержат большие объемы заряженных частиц, но низкой энергии, т.е. защититься от них проще. От Солнца до Земли частицы этих выбросов летят до трех суток, поэтому предсказывать их достаточно просто. Однако корональные выбросы массы повышают активность земных радиационных поясов, т.е. создают проблемы при их преодолении на старте и возвращении.

Солнечные протонные события краткосрочны — основной пик высокоэнергичного излучения длится от полутора до двух суток. Но они более опасны за счет высокой энергии частиц, особенно для межпланетного корабля или базы на поверхности безатмосферного тела вроде Луны. Для человека в скафандре опасность наиболее высока из-за тонкого слоя защиты. Заряженные частицы в протонных событиях имеют высокую скорость и способны долетать от Солнца до Земли и Луны за 15–20 минут.

Галактические космические лучи

Второй важный источник заряженных космических частиц — галактические космические лучи, в основном это ядра атомов водорода и гелия, т.е. протоны и альфа-частицы, а также ядра других химических элементов вплоть до железа, обладающие очень высокой энергией и скоростью, близкой к световой. Их источник находится за пределами Солнечной системы и, возможно, даже за пределами нашей Галактики. Считается, что основная причина их появления — взрывы сверхновых звезд, джеты (мощные выбросы) из ядер активных галактик и другие схожие по масштабу и выбросу энергии события.

Траектории галактических космических лучей, прилетающих в Солнечную систему, всенаправленные, т.е. нет какой-то одной области, откуда их прилетало бы больше, а откуда-то меньше. Современные космические корабли практически бессильны перед галактической радиацией, но, к счастью, плотность ее невысока, и сохраняется возможность слетать на Марс и вернутся обратно без накопления опасной для здоровья дозы.

Радиационные пояса

Радиационные пояса Земли называют еще поясами Ван Аллена. Это участки вокруг нашей планеты, где солнечные заряженные частицы и вторичное излучение земной атмосферы захватываются земным магнитным полем и распределяются в два тора-«бублика» в плоскости магнитного экватора. Хотя земное магнитное поле частично создает препятствие внешнему космическому излучению, радиационные пояса создают проблемы для околоземной космонавтики.

Магнитное поле нашей планеты «сортирует» заряженные частицы по их массе и энергии. Нижний, или внутренний, радиационный пояс на высоте 1000–12000 км над Землей формируется из более тяжелых протонов, в том числе высоких энергий, он имеет наибольшую плотность частиц на высоте 6000 км. Самая нижняя его часть находится в районе южной части Атлантического океана и прижимается к Земле до высоты примерно 400 км — это так называемая область Бразильской магнитной аномалии, пересекаемая космическими станциями и спутниками на низкой околоземной орбите.

Схематичное изображение радиационных поясов Земли. ESA

Протонный пояс — это одна из важных причин низкого полета Международной космической станции и пилотируемых кораблей, после программы Apollo люди не поднимались над Землей выше 620 км. Протоны нижнего радиационного пояса имеют высокую проникающую способность, и корпуса корабля или станции недостаточно для защиты от них в течение дней, недель или месяцев.

Второй радиационный пояс — верхний, или внешний — находится на высоте 13 000–60 000 км и состоит в основном из потока легких электронов, хотя они заполняют все пространство радиационных поясов, но их плотность неоднородна. Во время крупных солнечных выбросов, когда в магнитосферу Земли попадает много заряженных частиц, временно формируется еще третий радиационный пояс. Частицы радиационных поясов движутся по магнитным линиям и могут поглощаться нашей атмосферой в районе полюсов.