Откуда и что мы знаем о космической радиации?

Краткий ответ: Дозиметры запускались в космос с самой зари космонавтики, и на момент полета людей на Луну о радиации у Земли, в межпланетном пространстве и у Луны было известно достаточно, чтобы быть уверенным в безопасности для экипажей кораблей. Сегодня радиация изучается на МКС, околоземных, окололунных аппаратах и в межпланетных запусках.

За всю историю космонавтики многократно проводились эксперименты по изучению потоков космической радиации и способов защиты от нее. Бóльшая часть экспериментов была направлена на изучение космоса: процессов на Солнце, на других объектах нашей Галактики и в дальнем космосе. Однако часть исследований на околоземной орбите, на Луне и Марсе велась и ведется сегодня с расчетом на пилотируемые полеты. Первые замеры радиации в космосе совершались на самых первых космических аппаратах: советском «Спутнике-3» и американском Explorer 1 («Эксплорер-1»). Тогда-то ученые и узнали о существовании радиационных поясов вокруг Земли. До первых полетов людей к Луне уже был известен уровень радиации на низкой околоземной орбите, в радиационных поясах Земли, в межпланетном пространстве и на Луне.

Также надо немного сказать о единицах измерения радиации. При изучении литературы можно встретить множество единиц: рентгены, бэры, рады, греи, зиверты, джоули… Мы будем использовать две единицы: рад — показатель поглощенной дозы, и зиверт — биологический эквивалент поглощенной дозы. Единица рад сегодня применяется реже, так как не входит в число единиц СИ, но на заре космонавтики ею активно пользовались, и мы оставим ее. Зиверт — это показатель степени биологического воздействия радиации, который может меняться в зависимости от типа излучения. Так, 100 рад гамма-излучения приведет к облучению в 1 зиверт, но 100 рад протонной радиации даст до 5 зиверт облучения организма.

Годовая норма облучения жителя Земли от естественных источников — 2,5 миллизиверта. Рентгенография грудной клетки — 0,2 миллизиверта. Однократное облучение всего тела в размере 5 зиверт приводит к лучевой болезни с 50%-ной вероятностью смертельного исхода. Суммарное облучение в 1 зиверт считается допустимым для космонавта за всю его карьеру. Полет до Марса и обратно в корабле современного типа дает примерно 2 миллизиверта в сутки или 0,6 зиверта в сумме за весь полет.

Международная космическая станция (МКС)

По данным российско-европейского эксперимента «Матрешка-Р», проведенного в сотрудничестве с Европейским космическим агентством, среднее облучение экипажа в модуле «Звезда» российского сегмента МКС в период солнечного минимума составляет 0,014–0,018 рад в сутки, что практически совпадает с данными Apollo 14. При этом уровень облучения на внешней части МКС составляет 0,15 рад, т.е. примерно в 10 раз больше, чем внутри станции. Скафандр экранирует примерно две трети излучения — до 0,05 рад в сутки.

Модуль «Звезда» обеспечивает экипаж средним экранированием в 30 г на кв. см, что сравнимо с командным модулем Apollo.

Основная масса заряженных частиц, которая обрушивается на МКС, относится к радиационным поясам нашей планеты. Радиационный детектор Европейского космического агентства R3DR2 на внешней части Международной космической станции определил уровень воздействия галактических космических лучей в размере 0,007 рад в сутки. Это в 4,5 раза меньше, чем в межпланетном пространстве. Радиационные пояса вносят основной вклад в облучение станции, оставляя галактическим космическим лучам и солнечным протонным событиям менее 40% от суммарной дозы.

Полярные сияния, где потоки солнечных заряженных частиц взаимодействуют с атмосферой Земли, начинаются с высоты 900 км. То есть Международная космическая станция, летающая на высоте 400 км, частично прикрыта и земным магнитным полем, и верхними слоями атмосферы. Все это снижает воздействие галактических космических лучей примерно вдвое. Земля своим «телом» и плотными слоями атмосферы прикрывает околоземные спутники, космические корабли и станции примерно от половины космических лучей. Тот же эффект наблюдается на низкой орбите и поверхности Луны и Марса.

Еще один важный результат получен на МКС российско- болгарским дозиметром-радиометром «Люлин-5»: на степень воздействия радиационных поясов значительно влияет ориентация станции. Если тело станции перекрывает поток, то уровень облучения падает в четыре раза. Эти данные можно использовать в будущих полетах через радиационные пояса и далее — на Луну и Марс.

Радиационные пояса Ван Аллена

Наиболее активное изучение околоземных радиационных поясов вели два зонда NASA под названием Van Allen Probes с 2012 по 2019 год. Согласно их данным, накопленным почти за тысячу суток полета, облучение внутри радиационных поясов в среднем составляет 10 рад в сутки для дозиметра, защищенного 1 см алюминия.

Также более 20 лет на расстоянии примерно 1,5 млн км от Земли со стороны Солнца работает космический аппарат ACE (Advanced Composition Explorer), который измеряет потоки солнечного излучения и галактических частиц. Спектрометр наиболее тяжелых заряженных частиц CRIS (Cosmic Ray Isotope Spectrometer), размещенный на ACE, показал разницу от 0,016 рад в сутки облучения в солнечный максимум до 0,043 рад в сутки во время солнечного минимума для незащищенных элементов. Защита в 1 см алюминия обеспечила снижение уровня облучения на 30–40%.

В 2014 году NASA провело испытательный беспилотный запуск прототипа межпланетного космического корабля Orion («Орион»), который должен в будущем обеспечить полеты людей в окололунное пространство. На борту корабля размещалась пара дозиметров BIRD (Battery-operated Independent Radiation Detector, или независимый радиационный детектор на батарейке). Полет командного модуля Orion продолжался 4 часа 24 минуты, за это время аппарат совершил два витка вокруг Земли, один из которых — по вытянутой орбите. В первом витке достигнута высота 400 км, на втором — 5800 км. На втором витке Orion дважды пересек нижний радиационный пояс Земли — в течение 10 минут во время подъема и в течение 45 минут во время спуска. В первом случае пиковая доза достигла 0,002 рад в минуту, а во втором — 0,1 рад в минуту. Суммарная накопленная доза за весь полет составила на одном дозиметре 1,8 рад, на втором — 1,6 рад. Экранирование прибора было эквивалентно 6,5 см алюминия.

Полет на Луну

Радиацию вокруг Луны и на ее поверхности измеряли также еще до пилотируемых полетов. Счетчик Гейгера внутри корпуса советского спускаемого аппарата «Луна-9» в 1966 году посчитал радиационный фон в размере 0,03 рад в сутки, а во время полета было примерно на треть больше. Эти показания очень близки к результатам Apollo.

Серия из пяти американских окололунных аппаратов Lunar Orbiter в своих полетах в 1966–1967 годах регистрировали радиацию в радиационных поясах Земли по пути к Луне и на орбите вокруг нее. Их показания значительно различались в зависимости от солнечной активности во время полета. На каждый аппарат приходилась пара датчиков радиации, которые находились в разных участках внутри герметичных корпусов с фотокамерами. Один датчик закрывался слоем алюминия толщиной 7,5 мм, второй — 0,6 мм. Первый датчик включался до прохождения радиационных поясов, а второй — после; кроме того, также они имели разную чувствительность.

Такой сильный разброс показаний связан с невысокой степенью защиты дозиметров Lunar Orbiter и изменением солнечной активности. Серьезный вклад в облучение вносили даже слабые солнечные вспышки. Без вспышек обошлась первая часть полета Lunar Orbiter 2, и он показал, что преодоление радиационного пояса дает 0,75 рад облучения, а обычный фон галактического излучения добавляет около 0,03 рад в сутки за защитой 7,5 мм алюминия, что подтверждается другими измерениями.

В 1968–1969 годах Советский Союз запускал к Луне прототипы космических кораблей «Зонд-5», «Зонд-6», «Зонд-7», они облетали Луну и возвращали на Землю спускаемый аппарат, подобный тем, что планировали использовать в пилотируемых полетах. Во всех трех полетах радиационные детекторы, размещенные внутри спускаемого отсека, показали накопленную дозу не выше 3,5 рад, т.е. не более 0,6 рад в сутки. Разработчики отмечали, что основной вклад в облучение вносил радиационный пояс Земли, что совпадает с данными Lunar Orbiter.

В спускаемом отсеке «Зонда-7» находился человекоподобный манекен с радиационными датчиками. Манекен специально изготовили из материалов, близких к человеческому организму по свойствам пропускать и поглощать радиацию. Его задачей было определение степени биологического воздействия космической радиации на экипаж внутри космического корабля и даже на органы внутри тела. Детекторы на основе так называемой ядерной эмульсии размещались в «Зонде-5» рядом с контейнерами биологических образцов, а в «Зонде-7» — на поверхности манекена и внутри его на глубине 5 см. Эмульсии показали вполне обнадеживающие результаты. По данным автореферата Л. Н. Смиренного на соискание ученой степени доктора технических наук, на поверхности манекена суммарная накопленная доза составила около 0,1–0,3 рад, а на глубине 5 см заметно меньше — 0,06–0,086 рад. Эти результаты полностью укладываются в диапазон доз, измеренных на поверхности тела астронавтов Apollo: от 0,16 до 1,14 рад за полет.

При массе спускаемого аппарата «Зондов» 3100 кг и его внутреннем пространстве около 3,8 куб. м степень защиты от радиации сравнима с 8 см алюминия, что в десять раз больше, чем у Lunar Orbiter, но меньше, чем у Apollo.

Сейчас у Луны летает автоматическая станция LRO, на борту которой установлен радиационный телескоп CRaTER (Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation). Его микродозиметр, закрытый слоем, эквивалентным 1,6 мм алюминия, за пять с половиной лет в период солнечного минимума показал усредненное облучение 0,035 рад в сутки. Из них не менее 15% — воздействие солнечных вспышек.

При этом перелет на Луну и обращение на высокой эллиптической орбите показали более высокие значения: 0,05 рад. Сам телескоп показал изменение радиационного воздействия с 0,033 до 0,013 рад в сутки от солнечного минимума к солнечному максимуму.

Индийско-болгарский дозиметр RADOM совершил полет к Луне на борту космического аппарата Chandrayaan-1. Он проводил замеры в радиационных поясах, при перелете и на окололунной орбите. В межпланетном пространстве его измерения показали 0,03 рад в сутки, а на окололунной орбите — 0,025 рад в сутки.

На Луне

Без земной атмосферы и магнитного поля на поверхности Луны можно ожидать двукратное превышение уровня воздействия галактических космических лучей по сравнению с МКС, т.е. около 0,015 рад в сутки в период солнечного максимума. Фактический фон будет выше за счет вторичной радиации, выбиваемой из лунного грунта. «Луна-9» в 1966 году показала 0,03 рад, что оказалось на 25% больше показателя, ожидаемого учеными. По данным же прибора CRaTER, который обращался на высоте 50–70 км над Луной, вторичная радиация от лунной поверхности дает до 10% облучения. Для сравнения: дозиметр RADOM на борту Chandrayaan-1 оценил вклад вторичного излучения поверхности Луны в 23%.

Полет на Марс

Радиация в межпланетном пространстве на пути к Марсу в недавнее время изучалась дважды. На американском марсоходе Curiosity размещен радиационный телескоп RAD, который измерял потоки космических лучей в полете с Земли на Марс в 2012 году и продолжает измерять их на Красной планете. Полет марсохода проходил в теплозащитном корпусе, необходимом для посадки в марсианской атмосфере, поэтому степень экранирования радиационного датчика примерно соответствовала защите внутри космического корабля и в среднем составляла 15–20 г на кв. см, что равно слою примерно 6–7 см алюминия. Средний уровень воздействия космической радиации в полете на Марс по кремниевому датчику RAD составил 0,032 рад (1,8 миллизиверта) в сутки, второй датчик показал более высокое облучение — 0,046 рад в сутки.

Альтернативные измерения спустя четыре года после марсохода провели во время полета европейско-российского исследовательского аппарата ExoMars («ЭкзоМарс») в 2016 году. Российско-болгарский прибор «Люлин-МО», установленный на ExoMars, также экранировался слоем, эквивалентным 3,5 см алюминия. По данным его кремниевых детекторов, облучение во время полета составляет 0,037 рад (2 миллизиверта) в сутки.

Для сравнения: норма для жителя Земли около 2,5 миллизиверта в год. Для современных астронавтов и космонавтов считается допустимым облучение за всю их карьеру в размере 1 зиверт. Получается, согласно данным RAD и «Люлин-МО», для космонавтов возможен однократный полет до Марса и обратно, суммарной длительностью около 350 суток в случае экранирования корабля слоем в 3,5–7 см алюминия.

Результаты измерений кремниевых детекторов RAD и «Люлин-МО» различаются примерно на 15%, что связано с солнечной активностью и разницей в экранирующем слое. По данным RAD, основное воздействие оказывали галактические космические лучи, вклад же солнечных протонов высокой энергии в накопленную дозу не выше 5%.

Исследования радиации в межпланетном пространстве около Луны и на пути к Марсу показывают повышенное радиационное воздействие в период снижения солнечной активности. Данное наблюдение объясняется так называемой солнечной модуляцией галактического космического излучения. Причина солнечной модуляции в том, что потоки солнечного ветра и солнечной радиации, а также солнечное магнитное поле во время повышения солнечной активности становятся более серьезным препятствием для летящих извне Солнечной системы тяжелых заряженных частиц галактического происхождения.

Кроме того, марсианские детекторы наблюдали явления, аналогичные Форбуш-эффекту, который физики обнаружили в 1937 году в ходе наземных измерений. Форбуш-эффект — это кратковременное, порядка суток, снижение потоков космического излучения при усилении скорости солнечного ветра во время солнечных вспышек.

Датчики марсианских аппаратов показали, что экранирование в несколько сантиметров алюминия способно поглощать энергию солнечных частиц, а уровень галактической радиации снижается только благодаря Солнцу. Выходит, что высокая солнечная активность способствует снижению суммарно накопленного облучения от галактического излучения за время полета внутри корабля современного типа.

Эффект солнечной модуляции был известен NASA в 1960-е. Полеты астронавтов на Луну совершались в 20-й цикл солнечной активности, который начался в 1964 году, достиг максимума в 1968-м и завершился в 1976-м. То есть большинство пилотируемых полетов на Луну произошло в период повышенной солнечной активности, что дополнительно снизило степень воздействия космической радиации галактического происхождения.

Измерения космического излучения в межпланетном пространстве показали, что уже при небольшом экранировании детекторов алюминием толщиной в 2–5 см воздействие солнечных вспышек занимает лишь небольшую долю в общей накопленной дозе. Хотя некоторые наиболее «бурные» события на Солнце могли бы нанести серьезный вред. Так, моделирование наиболее мощных солнечных вспышек, зарегистрированных за все время наблюдений — в августе 1972 года и октябре 1989-го, показало, что даже внутри корабля экипаж мог получить за двое суток облучение в 150–280 рад, что в сотни раз больше полученного экипажами Apollo за весь полет и сравнимо с полной дозой марсохода Curiosity, полученной на пути от Земли к Марсу. Правда, в этих моделях учитывали корабль в виде алюминиевой сферы с обшивкой толщиной 2 см. Как правило, корабли, включая Apollo, и модули космических станций имеют экранирование толще в несколько раз. А вот для космонавтов в скафандрах такие вспышки могут представлять серьезную опасность. К счастью, они происходят довольно редко — в среднем раз в десятилетие.

Солнечное излучение и заряженные частицы радиационных поясов эффективно экранируются доступными средствами. Так, измерения прибора «Люлин-5» на МКС показали, что облучение космонавта внутри станции при пересечении нижнего радиационного пояса в области Бразильской аномалии сильно меняется в зависимости от уровня защиты. Материал толщиной 165 мм, близкий человеческому телу по экранирующему свойству (полиуретан), снизил втрое воздействие радиации нижнего пояса Ван Аллена: с 0,015 рад в час до 0,005 рад. В то же время воздействие галактических космических лучей оставалось на прежнем уровне — около 0,008 рад.