Защита от радиации на мкс. Естественный радиационный фон

Текст, представленный ниже, нужно расценивать как личное мнение автора. Никакой секретной информацией (или доступом к ней) он не обладает. Всё, что изложено - это факты из открытых источников плюс немного здравого смысла («диванной аналитики», если угодно).

Научная фантастика - все эти бластеры и «пиу-пиу» в открытом космосе на крошечных одноместных истребителях - приучила человечество серьезно переоценивать доброжелательность Вселенной по отношению к теплым белковым организмам. Особенно сильно это проявляется, когда фантасты описывают путешествия к другим планетам. Увы, освоение «настоящего космоса» вместо привычных нам нескольких сотен «камэ» под защитой магнитного поля Земли будет более трудным предприятием, чем представлялось обывателю всего десятилетие назад.

Итак, вот мой главный тезис. Психологический климат и конфликты внутри экипажа далеко не главные проблемы, с которыми столкнется человек при организации пилотируемых полетов на Марс.

Главная проблема человека, путешествующего за пределы магнитосферы Земли - проблема с большой буквы «Р».

Что такое космическая радиация и почему мы не гибнем от нее на Земле

Ионизирующее излучение в космосе (за пределами нескольких сотен километров околоземельного пространства, которые человек действительно освоил) состоит из двух частей.

Излучение Солнца. Это, прежде всего, «солнечный ветер» - поток частиц, который постоянно «дует» во все стороны от светила и который чрезвычайно хорош для будущих космических парусников, потому что позволит им как следует разогнаться для путешествий за пределы Солнечной системы. Вот только для живых существ основная часть этого ветра не особо полезна. Замечательно, что нас от жесткой радиации защищают толстый слой атмосферы, ионосфера (та, где озоновые дыры), а еще мощное магнитное поле Земли.

Помимо ветра, который разлетается более-менее равномерно, наше светило еще периодически постреливает так называемыми солнечными вспышками. Последние представляют собой выбросы коронарного вещества Солнца. Они настолько серьезны, что время от времени приводят к проблемам у людей и техники даже на Земле, где самое веселье, повторюсь, недурственно экранируется.

Итак, у нас есть атмосфера и магнитное поле планеты. В уже довольно близком космосе, на расстоянии десятка-другого тысяч километров от Земли, солнечная вспышка (даже слабая, всего-то пара Хиросим), попав в корабль, гарантированно выведет его живую начинку из строя без малейших шансов на выживание. Помешать этому сегодня - при текущем уровне развития технологий и материалов - нам абсолютно нечем. По этой и только по этой причине многомесячное путешествие к Марсу человечеству придется отложить до времени, когда мы не решим эту проблему хотя бы частично. Также его придётся планировать в периоды наиболее спокойного солнца и много молиться всем техническим богам.

Космические лучи. Эти вездесущие злодейские штуки несут огромное количество энергии (больше, чем способен закачать в частицу БАК). Они приходят из других частей нашей галактики. Попадая в щит земной атмосферы, такой луч взаимодействует с ее атомами и расшибается на десятки менее энергичных частиц, которые каскадно порождают потоки еще менее энергичных (но тоже опасных) и в итоге все это великолепие проливается радиационным дождём на поверхность планеты. Примерно 15% от фонового излучения на Земле приходится на гостей из космоса. Чем выше ты живешь над уровнем моря, тем выше ловимая в течении жизни доза. И происходит это круглосуточно.

В качестве школьного упражнения попробуйте представить, что произойдёт с космическим кораблём и его «живой начинкой» в случае прямого попадании в них такого луча где-нибудь в открытом космосе. Лететь к Марсу, напомню, предстоит несколько месяцев, кораблик для этого предстоит строить здоровенный и вероятность описанного выше «контакта» (а то и не одного) достаточно велика. Просто пренебречь ею при длительных полетах с живым экипажем, увы, никак не получится.

Что ещё?

Помимо той радиации, что долетает до Земли от Солнца, есть ещё та солнечная радиация, которую магнитосфера планеты отталкивает, не пропускает внутрь и самое главное - накапливает*. Знакомьтесь, читатели. Это радиационный пояс Земли (РПЗ). Он же пояс Ван Аллена, как его называют за рубежом. Преодолеть его космонавтам предстоит что называется «на полных парах», чтобы не получить летальную дозу радиации всего за несколько часов. Повторный контакт с этим поясом - если мы вопреки здравому смыслу решим вернуть астронавтов с Марса на Землю - запросто может их добить.

*Значительная доля частиц пояса Ван Аллена приобретает опасную скорость уже в самом поясе. То есть он не только защищает нас от радиации извне, но еще и усиливает эту накопленную радиацию.

До сих пор речь шла об открытом космосе. Но не нужно забывать о том, что у Марса (в отличие от Земли) почти нет магнитного поля**, а атмосфера разрежённая и дохленькая, так что подвергаться воздействию этих негативных факторов люди будут не только в полёте.

**Ладно, немножко есть - в районе южного полюса.

Отсюда вывод. Жить будущим колонистам вероятнее всего предстоит не на поверхности планеты (как нам показывали в эпичном кино «Миссия на Марс»), а глубоко под ней.

Как быть?

Прежде всего, видимо, не питать иллюзий на скорое (в течение десятка-другого-третьего лет) разрешение всех этих проблем. Чтобы избежать гибели экипажа от лучевой болезни, нам придётся или вообще его туда не посылать и осваивать космос с помощью умных машин (кстати, не самое глупое решение), либо очень здорово поднапрячься, потому что, если я прав, то отправка людей на Марс с созданием там постоянной колонии - задача для одной страны (хоть США, хоть России, хоть Китая) в ближайшие полстолетия, а то и дольше совершенно неподъёмная. Один корабль для такой миссии обойдется в сумму, эквивалентную постройке и полному обслуживанию пары-тройки МКС (см. ниже).

И да, забыл сказать: пионеры Марса будут заведомо «смертниками», поскольку ни обратной дороги, ни долгой и комфортной жизни на Марсе обеспечить им в ближайшие полвека у нас, скорее всего, получится.

Как теоретически могла бы выглядеть миссия на Марс, имей мы для этого все ресурсы и технологии старушки-Земли? Сравните описанное ниже с тем, что вы видели в культовом фильме «Марсианин».

Миссия на Марс. Условно реалистичная версия

Во-первых, человечеству предстоит сильно напрячься и построить циклопических размеров космический корабль с мощной антирадиационной защитой, который сможет частично компенсировать адскую лучевую нагрузку на экипаж за пределами магнитного поля Земли и обеспечить доставку более-менее живых колонистов на Марс - в один конец.

Как может выглядеть такой корабль?

Это здоровенная махина в десятки (а лучше сотни) метров в поперечнике, обеспеченная собственным магнитным полем (сверхпроводящие электромагниты) и источниками энергии для его поддержания (атомные реакторы). Огромные размеры конструкции позволяют набить её изнутри поглощающими радиацию материалами (например, это может быть вспененный освинцованный пластик или герметичные контейнеры с простой либо «тяжелой» водой), которые десятилетиями (!) предстоит возить на орбиту и монтировать вокруг сравнительно крошечной капсулы жизнеобеспечения, куда потом мы поместим астронавтов.

Помимо размеров и дороговизны, марсианский корабль должен быть чертовски надежным и, главное, полностью автономным в плане управления. Чтобы доставить экипаж живым безопаснее всего будет погрузить его в искусственную кому и немного охладить (всего на пару-тройку градусов), чтобы замедлить метаболические процессы. В таком состоянии люди а) будут менее чувствительны к радиации, б) занимают меньше места и их дешевле экранировать от все той же радиации.

Очевидно, помимо корабля, нужен искусственный интеллект, способный уверенно доставить корабль на орбиту Марса, выгрузить колонистов на его поверхность, не повредив в процессе ни себя, ни груз, а потом ещё без участия людей вернуть астронавтов в сознание (уже на Марсе). Пока таких технологий у нас нет, но есть некоторая надежда, что подобный ИИ, а главное политические и экономические ресурсы для постройки описанного корабля, появятся у нас, допустим, ближе к середине столетия.

Хорошей новостью является то, что марсианский «паром» для колонистов вполне может быть многоразовым. Ему предстоит как челноку курсировать между Землёй и конечным пунктом, доставляя в колонию партии «живого груза» на замену выбывших «от естественных причин» людей. Для доставки «неживого» груза (еды, воды, воздуха и техники) противолучевая защита особо не нужна, так что марсианским грузовиком суперкорабль делать не обязательно. Он нужен исключительно для доставки колонистов и, возможно, семян растений / молоди сельскохозяйственных животных.

Во-вторых, нужно заранее забросить на Марс технику и запасы воды-еды-кислорода на экипаж из 6-12 человек на 12-15 лет (с учётом всех форс-мажоров). Это само по себе нетривиальная задачка, но допустим, что в ресурсах для ее решения мы не ограничены. Предположим, что войны и политические пертурбации Земли утихли, а на марсианскую миссию работает в едином порыве вся планета.

Забрасываемая на Марс техника, как вы уже должны догадаться, представляет собой полностью автономных роботов с искусственным интеллектом и питанием от компактных ядерных реакторов. Им предстоит методично в течение десятка-полутора лет отрыть сначала глубокий тоннель под поверхность красной планеты. Затем - ещё за несколько лет - небольшую сеть тоннелей, в которую предстоит втащить блоки жизнеобеспечения и запасы для будущей экспедиции, а потом все это герметично смонтировать в автономный подмарсианский поселок.

Метроподобное обиталище кажется оптимальным решением по двум причинам. Во-первых, оно экранирует космонавтов от космических лучей уже на самом Марсе. Во-вторых, из-за остаточной «марсотермальной» активности недр под поверхностью планеты на градус-другой теплее, чем снаружи. Это пригодится колонистам как для экономии энергии, так и для выращивания картошки на собственных фекалиях.

Уточним важный момент: строить колонию придётся в южном полушарии, где на планете ещё сохранилось остаточное магнитное поле.

Выходить на поверхность астронавтам в идеале не придётся вообще (Марс «вживую» они или не увидят совсем, или увидят один раз - при посадке). Всю работу на поверхности предстоит делать роботам, действиями которых колонистам предстоит руководить из своего бункера всю их недолгую жизнь (лет двадцать при удачном стечении обстоятельств).

В-третьих, надо поговорить о самом экипаже и методах его подбора.

Идеальной схемой последнего станет поиск по всей Земле… генетически идентичных (монозиготных) близнецов, один из которых только что превратился в донора органов (например, «удачно» попав в автокатастрофу). Звучит до крайности цинично, но пусть это не помешает вам дочитать текст до конца.

Что нам дает близнец-донор?

Погибший близнец даёт возможность своему брату (или сестре) стать идеальным колонистом на Марсе. Дело в том, что красный костный мозг первого, будучи доставлен на красную планету в дополнительно защищённом от радиации контейнере, можно будет перелить близнецу-астронавту. Тем самым повышаются шансы на выживание оного при лучевой болезни, остром лейкозе и других неприятностях, которые с колонистом весьма вероятно приключатся за годы миссии.

Итак, как выглядит процедура отсева будущих колонистов?

Отбираем несколько миллионов близнецов. Ждём, пока что-то происходит с одним из них, и делаем предложение оставшемуся. Набирается пул из, скажем, ста тысяч потенциальных кандидатов. Теперь внутри этого пула проводим итоговый отбор на психологическую совместимость и профпригодность.

Естественно, для расширения выборки отбирать астронавтов придётся по всей Земле, а не в одной или двух странах.

Ещё бы, конечно, здорово помогла некая технология выявления особо устойчивых к облучению кандидатов. Известно, что некоторая часть людей гораздо более устойчива к радиации, чем другая. Наверняка её можно выявить с помощью неких генетических маркеров. Если дополнить этим методом идею с близнецами, вместе они должны существенно повысить выживаемость марсианских колонистов.

Помимо этого, полезно было бы научиться переливать людям костный мозг в невесомости. Это не единственная штука, которую предстоит изобрести специально под этот проект, но, по счастью, время у нас ещё есть, а МКС пока что болтается на орбите Земли будто специально для отработки подобных технологий.

PS. Я должен специально оговориться, что принципиальным противником космических путешествий я не являюсь и верю, что рано или поздно «космос будет наш». Вопрос только в цене этого успеха, а также во времени, которое человечество затратит на отработку необходимых технологий. Мне кажется, под влиянием научной фантастики и массовой культуры многие из нас довольно беспечны в смысле понимания трудностей, которые на этом пути предстоит преодолеть. Чтобы несколько отрезвить эту часть «космооптимистов » и написан этот текст.

Во и частях я расскажу какие еще варианты у нас имеются в вопросе освоения космоса человеками в долгосрочной перспективе.

Такое понятие как солнечная радиация стало известным довольно-таки давно. Как показали многочисленные исследования, оно далеко не всегда виновно в повышении уровня ионизации воздуха.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Космическая радиация: правда или миф?

Космические лучи — это излучение, которое появляется при взрыве сверхновой звезды, а также как следствие термоядерных реакций на Солнце. Разная природа происхождения лучей влияет и на их основные характеристики. Космические лучи, которые проникают из космоса вне нашей Солнечной системы условно можно поделить на два вида — галактические и межгалактические. Последний вид остается наименее изученным, так как концентрация первичной радиации в нем минимальна. То есть особого значения межгалактическое излучение не имеет, так как полностью нейтрализуется в нашей атмосфере.

К сожалению, так же немного можно сказать и о лучах, пришедших к нам из нашей галактики под названием Млечный Путь. Несмотря на то, что ее размер превышает 10000 световых лет, любые изменения радиационного поля в одном конце галактики немедленно аукнутся в другом.

Опасность радиации из космоса

Прямая космическая радиация губительна для живого организма, поэтому ее влияние крайне опасно для человека. К счастью, наша Земля надежно защищена от этих космических пришельцев плотным куполом из атмосферы. Он служит прекрасной защитой всего живого на земле, так как нейтрализует прямую космическую радиацию. Но не полностью. При столкновении с воздухом она распадается на более мелкие частички ионизирующего излучения, каждая из которых вступает в индивидуальную реакцию с его атомами. Таким образом, высокоэнергетическое излучение из космоса ослабевает, и образует вторичное излучение. При этом оно теряет свою смертоносность — уровень радиации становится приблизительно таким же, как и в рентгеновских лучах. Но пугаться не стоит — это излучение полностью исчезает во время прохождения через атмосферу Земли. Какими бы ни были источники космических лучей, и какую мощь они бы не имели — опасность для человека, который находится на поверхности нашей планеты, минимальна. Ощутимый вред она может принести только космонавтам. Они подвержены прямому космическому излучению, так как не имеют естественной защиты в виде атмосферы.

Энергия, выделяемая космическими лучами, в первую очередь влияет на магнитное поле Земли. Заряженные ионизирующие частицы буквально бомбардируют его и становятся причиной самого красивого атмосферного явления — . Но это еще не все — радиоактивные частицы, в виду своей природы, способны вызывать сбои в работе различной электроники. И если в прошлом веке это не вызывало особого дискомфорта, то в наше время это весьма серьезная проблема, так как на электрике завязаны самые важные аспекты современной жизни.

Люди также восприимчивы к этим гостям из космоса, хотя механизм воздействия космических лучей весьма специфичен. Ионизированные частички (то есть вторичное излучение) воздействует на магнитное поле Земли, вызывая тем самым бури в атмосфере. Всем известно, что организм человека состоит из воды, которая очень восприимчива к магнитным колебаниям. Таким образом, космическое излучение влияет на сердечнососудистую систему, и становится причиной плохого самочувствия у метеозависимых людей. Это, конечно же, неприятно, но отнюдь не смертельно.

Что защищает Землю от солнечной радиации?

Солнце — это звезда, в недрах которой постоянно проходят разнообразные термоядерные реакции, которые сопровождаются сильными энергетическими выбросами. Эти заряженные частицы называются солнечный ветер и достаточно сильно влияют на нашу Землю, вернее на ее магнитное поле. Именно с ним взаимодействуют ионизированные частицы, которые составляют основу солнечного ветра.

Согласно новейшим исследованиям ученых со всего мира, особую роль в нейтрализации солнечного ветра отыгрывает плазменная оболочка нашей планеты. Происходит это следующим образом: солнечное излучение сталкивается с магнитным полем Земли и рассеивается. Когда его слишком много, удар на себя принимает плазменная оболочка, происходит процесс взаимодействия, схожий с коротким замыканием. Следствием такой борьбы могут стать трещины в защитном щите. Но природа и это предусмотрела — потоки холодной плазмы поднимаются с поверхности Земли и устремляются в места ослабленной защитой. Таким образом, магнитное поле нашей планеты отражает удар из космоса.

Но стоит констатировать тот факт, что солнечная радиация, в отличие от космической, все же попадает на Землю. При этом не стоит переживать понапрасну, ведь по сути это энергия Солнца, которая должна попадать на поверхность нашей планеты в рассеянном состоянии. Таким образом, она нагревает поверхность Земли и помогает развивать жизнь на ней. Так, стоит четко разграничивать разные виды радиации, ведь некоторые из них не только не имеют негативного воздействия, но и необходимы для нормального функционирования живых организмов.

Однако на Земле далеко не все вещества одинаково восприимчивы к солнечной радиации. Существуют поверхности, которые больше других поглощают ее. Это, как правило, подстилающие поверхности с минимальным уровнем альбедо (способность к отражению солнечной радиации) — это земля, лес, песок.

Таким образом, температура на поверхности Земли, а также продолжительность светового дня напрямую зависит от того, какое количество солнечной радиации поглощает атмосфера. Хочется сказать, что основной объем энергии все же доходит до поверхности нашей планеты, ведь воздушная оболочка Земли служит преградой лишь для лучей инфракрасного спектра. А вот УФ лучи нейтрализуются лишь частично, что приводит к некоторым проблемам с кожными покровами у людей и животных.

Влияние солнечной радиации на организм человека

При воздействии лучей инфракрасного спектра солнечной радиации однозначно проявляется тепловой эффект. Он способствует расширению сосудов, стимуляции работы сердечнососудистой системы, активизирует кожное дыхание. Как следствие происходит расслабление основных систем организма, усиливается выработка эндорфинов (гормонов счастья), обладающих болеутоляющим и противовоспалительным эффектом. Тепло также влияет на обменные процессы, активизируя метаболизм.

Световое излучение солнечной радиации оказывает значительное фотохимическое воздействие, которое активизирует важные процессы в тканях. Этот вид солнечной радиации позволяет человеку использовать одну из самых важных систем осязания внешнего мира — зрение. Именно этим квантам мы должны быть благодарны за то, что видим все в красках.

Важные факторы влияния

Солнечное излучение инфракрасного спектра также стимулирует мозговую деятельность и отвечает за психическое здоровье человека. Немаловажно и то, что именно этот вид солнечной энергии влияет на наши биологические ритмы, то есть на фазы активной деятельности и сна.

Без световых частиц многие жизненно важные процессы оказались бы под угрозой, что чревато развитием различных заболеваний, в том числе бессонницы и депрессии. Так же при минимальном контакте со световой солнечной радиацией существенно снижается трудоспособность человека, а также замедляется большинство процессов в организме.

УФ-излучение достаточно полезно для нашего организма, так как оно запускает также иммунологические процессы, то есть стимулирует защитные силы организма. Также оно нужно для выработки порфирита — аналога растительного хлорофилла в нашей коже. Однако избыток УФ-лучей может привести к ожогам, поэтому очень важно знать, как правильно защититься от этого в период максимальной солнечной активности.

Как видите, польза солнечной радиации для нашего организма несомненна. Многие очень переживают, впитывает ли еда этот вид радиации и не опасно ли есть зараженные продукты. Повторюсь — солнечная энергия не имеет ничего общего с космическим или атомным излучением, а значит, и опасаться ее не стоит. Да и было бы бессмысленно избегать ее... Способа того, как спастись от Солнца никто пока не искал.

Комикс про то, как ученые в борьбе с космической радиацией освоят Марс.

В ней рассматривается несколько направлений для будущих исследований по защите космонавтов от облучения, включая лекарственную терапию, генную инженерию и технологию гибернации. Авторы также замечают, что радиация и старение убивают организм схожими методами, и предполагают, что способы борьбы с одним могут действовать и против другого. Статья с боевым девизом в названии Viva la radioresistance! («Да здравствует сопротивление радиации!») была опубликована в журнале Oncotarget .

«Ренессанс космонавтики, вероятно, приведет к первым человеческим миссиям на Марс и в глубокий космос. Но для выживания в условиях повышенной космической радиации людям придется стать более устойчивыми к внешним факторам. В этой статье мы предлагаем методологию достижения повышенной радиорезистентности, стрессоустойчивости и устойчивости к старению. В процессе работы над стратегией мы собрали ведущих ученых из России, а также из NASA, Европейского космического агентства, Канадского радиационного центра и более чем 25 других центров по всему миру. На Земле тоже пригодятся технологии радиорезистентности, особенно если «побочным эффектом» будет здоровое долголетие», – комментирует Александр Жаворонков, адъюнкт-профессор МФТИ.

. " alt="Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю. " src="/sites/default/files/images_custom/2018/03/mars7.png">

Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю.

Космос против человека

«В космических масштабах наша планета – всего лишь небольшой корабль, неплохо защищенный от космического излучения. Магнитное поле Земли отклоняет солнечные и галактические заряженные частицы, тем самым существенно снижая уровень радиации на поверхности планеты. При дальних космических полетах и колонизации планет с очень слабыми магнитными полями (например, Марса) такой защиты не будет, и астронавты и колонисты будут подвергаться постоянному воздействию потоков заряженных частиц с огромной энергией. Фактически космическое будущее человечества зависит от того, как мы преодолеем эту проблему», – делится заведующий отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины Федерального медицинского биофизического центра имени А. И. Бурназяна, профессор РАН, сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ Андреян Осипов.

Человек беззащитен перед опасностями космоса: солнечное облучение, галактические космические лучи, магнитные поля, радиоактивная среда Марса, радиационный пояс Земли, микрогравитация (невесомость).

Человечество со всей серьезностью нацелилось колонизировать Марс – SpaceX обещает доставить человека на Красную планету уже в 2024 году, однако некоторые существенные проблемы до сих пор не решены. Так, одной из основных опасностей для здоровья космонавтов является космическая радиация. Ионизирующее излучение повреждает биологические молекулы, в частности ДНК, что приводит к различным нарушениям: нервной системы, сердечно-сосудистой системы и, главным образом, к раку. Ученые предлагают объединить усилия и, используя последние достижения биотехнологий, повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.

Человеческая оборона

У организма есть способы защищаться от повреждений ДНК и восстанавливать их. На наше ДНК постоянно воздействует природная радиация, а также активные формы кислорода (АФК), которые образуются при нормальном клеточном дыхании. Но при починке ДНК, особенно в случае тяжелых повреждений, могут происходить ошибки. Накопление повреждений ДНК считается одной из главных причин старения, так что радиация и старение – схожие враги человечества. Однако клетки могут адаптироваться к облучению. Показано, что маленькая доза радиации может не только не навредить, но и подготовить клетки ко встрече с более высокими дозами. Сейчас международные стандарты радиационной защиты это не учитывают. Последние же исследования говорят о том, что существует некий порог радиации, ниже которого действует принцип «тяжело в учении – легко в бою». Авторы статьи считают, что нужно исследовать механизмы радиоадаптивности, чтобы взять их на вооружение.

Способы повышения радиорезистентности: 1) генная терапия, мультиплексная генная инженерия, экспериментальная эволюция; 2) биобанкинг, регенеративные технологии, инженерия тканей и органов, индуцированное обновление клеток, клеточная терапия; 3) радиопротекторы, геропротекторы, антиоксиданты; 4) гибернация; 5) дейтерированные органические компоненты; 6) медицинский отбор радиорезистентных людей.

Заведующий лабораторией генетики продолжительности жизни и старения МФТИ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Алексей Москалев поясняет: «Наши многолетние исследования эффектов малых доз ионизирующих излучений на продолжительность жизни модельных животных показали, что небольшие повреждающие воздействия способны стимулировать собственные защитные системы клеток и организма (репарацию ДНК, белки теплового шока, удаление нежизнеспособных клеток, врожденный иммунитет). Однако в космосе люди столкнутся с более существенным и опасным диапазоном доз радиации. Нами накоплена большая база данных по геропротекторам. Полученные знания говорят о том, что многие из них функционируют по механизму активизации резервных возможностей, повышения стрессоустойчивости. Вполне вероятно, что подобная стимуляция поможет будущим колонизаторам космических просторов».

Инженерия космонавтов

Более того, среди людей радиорезистентность отличается: кто-то больше устойчив к радиации, кто-то меньше. Медицинский отбор радиорезистентных индивидов предполагает взятие образцов клеток у потенциальных кандидатов и всесторонний анализ радиоадаптивности этих клеток. Самые устойчивые к облучению полетят в космос. Кроме этого, можно проводить полногеномные исследования людей, проживающих в областях с высоким уровнем фонового излучения или сталкивающихся с ним по профессии. Геномные отличия людей, менее подверженных раку и другим заболеваниям, связанным с облучением, можно в будущем выделить и «привить» космонавтам с помощью современных методов генной инженерии, таких как редактирование генома.

Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовали снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного.

Можно вносить гены белков, ответственных за восстановление ДНК. Такие опыты уже проводились – некоторые гены действительно помогали, а некоторые приводили к повышенной геномной неустойчивости, так что эта область ждет новых исследований.

Более перспективный метод – это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения, в 1000 превышающая смертельную для человека. Недавно был обнаружен белок, который, предположительно, является одним из факторов такой выносливости – так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.

Аптечка бойца

Лекарства, которые увеличивают радиационную защиту организма, называются «радиопротекторами». На сегодняшний день существует только один радиопротектор, одобренный FDA . Но основные сигнальные пути в клетках, которые включены в процессы старческих патологий, участвуют также и в ответах на облучение. Исходя из этого геропротекторы – лекарства, которые уменьшают скорость старения и продлевают продолжительность жизни – могут служить и радиопротекторами. Согласно базам данных Geroprotectors.org и DrugAge , существует более 400 потенциальных геропротекторов. Авторы считают, что будет полезно рассмотреть существующие лекарства на наличие геро- и радиопротекторных свойств.

Так как ионизирующее облучение действует также через активные формы кислорода, справляться с радиацией могут помочь редокс-поглотители, или, проще говоря, антиоксиданты, такие как глутатион, NAD и его предшественник NMN. Последние, по-видимому, играют важную роль в ответе на повреждение ДНК, поэтому представляют большой интерес с точки зрения защиты от радиации и старения.

Гипернация в гибернации

Вскоре после запуска первых космических полетов ведущий конструктор советской космической программы Сергей Королев начал разрабатывать амбициозный проект пилотируемого полета на Марс. Его идея заключалась в том, чтобы привести экипаж в состояние гибернации (англ. hibernation - «зимняя спячка») во время длительных космических путешествий. При гибернации все процессы в организме замедляются. Эксперименты с животными показывают, что в таком состоянии повышается устойчивость к экстремальным факторам: понижению температуры, смертельным дозам облучения, перегрузкам и так далее. В СССР проект Марса был закрыт после смерти Сергея Королева. А в настоящее время Европейское космическое агентство работает над проектом «Аврора» по полетам на Марс и Луну, в котором рассматривается вариант спячки космонавтов. ЕКА считает, что при длительном автоматизированном полете гибернация обеспечит большую безопасность. Если же говорить о будущей колонизации космоса, то проще перевозить и защищать от радиации банк криоконсервированных зародышевых клеток, а не популяцию «готовых» людей. Но это явно будет не в ближайшем будущем, и, возможно, к тому моменту методы радиозащиты будут развиты достаточно, чтобы человек не боялся космоса.

Тяжелая артиллерия

Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий – более тяжелый аналог водорода. Из-за большей массы связи с дейтерием сложнее разорвать. Однако организм рассчитан на работу с водородом, поэтому если слишком много водорода заменить на дейтерий, это может привести к плохим последствиям. Было показано на разных организмах, что добавление дейтерированной воды увеличивает продолжительность жизни и оказывает противораковое действие, но больше 20% дейтерированной воды в рационе начинает оказывать токсическое действие. Авторы статьи считают, что следует проводить доклинические испытания и искать порог безопасности.

Интересной альтернативой представляется замена не водорода, а углерода на более тяжелый аналог. 13 C тяжелее 12 C всего на 8%, в то время как дейтерий тяжелее водорода на 100% – такие изменения для организма будут менее критичны. Однако этот способ не защитит от разрыва N-H и O-H связи, которые скрепляют основания ДНК. К тому же производство 13 C на сегодняшний день является очень дорогим. Тем не менее, если получится снизить стоимость производства, то замена углерода может быть дополнительной защитой человека от космической радиации.

«Проблема радиационной безопасности участников космических миссий относится к классу очень сложных проблем, которые невозможно решить в рамках одного научного центра или даже целой страны. Именно по этой причине мы решили объединить специалистов из ведущих центров в России и по всему миру для того, чтобы узнать и консолидировать их видение путей решения данной проблемы. В частности, среди российских авторов статьи есть ученые из ФМБЦ им. А. И. Бурназяна, ИМБП РАН, МФТИ и других всемирно известных учреждений. В ходе работы над проектом многие его участники впервые познакомились друг с другом и теперь планируют продолжать начатые совместные исследования», – заключает координатор проекта Иван Озеров, радиобиолог, руководитель группы анализа клеточных сигнальных путей Сколковского стартапа «Инсилико».

Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

07.12.2016

Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора. RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.

Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.

Эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС.

Шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.

Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта.

Длительность жизни космонавтов ниже, чем средняя в их странах. Не менее четверти смертности приходится на онкологию.

Из 112 летавших российских космонавтов 28 уже нет с нами. Пять человек погибли: Юрий Гагарин - на истребителе, Владимир Комаров, Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев - при возвращении с орбиты на Землю. Василий Лазарев умер от отравления некачественным спиртом.

Из 22 остальных покорителей звездного океана для девяти причиной смерти стала онкология. От рака скончались Анатолий Левченко (47 лет), Юрий Артюхин (68), Лев Демин (72), Владимир Васютин (50), Геннадий Стрекалов (64), Геннадий Сарафанов (63), Константин Феоктистов (83), Виталий Севастьянов (75). Официальная причина смерти еще одного космонавта, умершего от рака, не раскрывается. Для полетов за пределы Земли отбирают самых здоровых, самых крепких.

Итак, девять умерших от рака из 22 космонавтов составляют 40,9%. Теперь обратимся к аналогичной статистике в целом по стране. В прошлом году покинули сей мир 1 млн 768 тысяч 500 россиян (данные Росстата). При этом от внешних причин (транспортных ЧП, отравлений алкоголем, самоубийств, убийств) умерли 173,2 тысячи. Остается 1 млн 595 тысяч 300. Скольких граждан загубила онкология? Ответ: 265,1 тысячи человек. Или 16,6%. Сравним: 40,9 и 16,6%. Выходит, обычные граждане от рака умирают в 2,5 раза реже, чем космонавты.

По отряду астронавтов США аналогичных сведений нет. Но даже отрывочные данные свидетельствуют: онкология косит и американских звездоплавателей. Вот неполный список жертв страшной болезни: Джон Свайгерт-младший - рак костного мозга, Дональд Слейтон - рак мозга, Чарлз Вич - рак мозга, Дэвид Уолкер - рак, Алан Шепард - лейкемия, Джордж Лоу - рак толстой кишки, Рональд Пэриз - опухоль головного мозга.

За один полет на орбиту Земли каждый член экипажа получает такое облучение, как если бы 150–400 раз побывал на обследовании в рентгеновском кабинете.

С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв (годовая допустимая доза для человека на земле), то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.

На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже, чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т. е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь - узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.

Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву - на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами - всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.

Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца - во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.

На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.

Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.

Пики приходятся на солнечные вспышки.

Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.

Возможно, придется собирать межпланетный космический корабль на орбите вокруг Земли - навешивать тяжелые свинцовые пластины для защиты от радиации. Или использовать для сборки Луну, где вес космолета будет ниже.

Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида, который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.

Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR. Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно - понадобится реактор.

Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.

Но такая простота вызывает и сложности - тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.

Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.

Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.

Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам.

В первую очередь - повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон - существенно шире, т. к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем - стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва - ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец - если микросхема для космоса - стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации.

Как же влияет радиация на микросхемы?

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов dодорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая Cолнце), ядра галактик, Млечный путь - обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце - радиация от солнца увеличивается в 1000-1000000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине - свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц - так называемые радиационные : на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия - где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200 км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение.

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему - в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов - пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» - и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10000-20000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) - протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники - ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот - single-event upset, SEU), в худшем - привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания - то все будет работать как обычно.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом - по официальной версии нерадиационностойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Что будет, если защитить космический аппарат свинцом?

С галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты - она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге - чем толще защита из тяжелых элементов - тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий - оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

Происходящие процессы можно рассмотреть на примере рентгеновской трубки.

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним - генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения.

Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю - то наша радиационная защита и превратится в естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами и еще более нежными живыми организмами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле - в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т. к. его разбить можно только на субатомные частицы - а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того - чем больше защиты - тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм алюминия. Самое сложное что есть - это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) - но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.

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,

Активности солнца,

Географической широты,

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.).