Радиационный фон Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Проблема радиационного фона Земли наиболее актуальна в наше время, так как все большее распространение получают такие области науки и производства, в которых используются технологии в результате которых изменяется радиационный баланс Земли. В контрольной работе мы рассмотрим такие вопросы как: Земля в потоке космических лучей. Повышенный фон радиации в особых регионах Земли. Рост уровня радиации при уменьшении модуля геомагнитного поля. Изменения радиационного фона Земли в прошлом и настоящем. Роль радиации в изменениях климата и эволюции жизни.

радиация космический пояс аномалия

1. Радиационный фон

Радиационный фон Земли формируют природные и антропогенные ионизирующие излучения, источниками которых являются не только космические, но и разнообразные земные явления - ядерные взрывы, выбросы предприятий атомной энергетики, отработанное ядерное топливо и др. Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях постоянного облучения.

Радиационный фон Земли складывается из следующих компонентов:

- космическое излучение;

- излучение от находящихся в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;

- излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Облучение может быть внешним и внутренним. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое излучение, наземные источники). Внутреннее облучение осуществляют радионуклиды, находящиеся в теле человека. За счёт космического излучения большинство населения получает дозу 35 мбэр в год (1 мбэр = 10-3 бэр). Такую же дозу (35 мбэр/год) человек получает от внешних земных источников естественного происхождения. Доза внутреннего облучения от естественных источников составляет в среднем 135 мбэр/год (3/4 этой дозы даёт не имеющий вкуса и запаха тяжёлый радиоактивный газ радон и продукты его распада).

Таким образом, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения человека от естественных источников радиации в среднем равна около 200 мбэр/год.

В результате деятельности человека в непосредственно окружающей его среде появились дополнительные источники радиации, в том числе естественные радионуклиды, извлекаемые в больших количествах из недр Земли вместе с углём, газом, нефтью, минеральными удобрениями, сырьём для строительных материалов. Вклад искусственных источников излучений в создании суммарной годовой дозы облучения человека иллюстрируется следующим списком (первая строка этого списка - уже обсуждавшийся выше суммарный вклад от естественных радиоактивных источников): мбэр/год

Естественный радиационный фон 200

Стройматериалы 140

Медицинские исследования 140

Бытовые предметы 4

Ядерные испытания 2.5

Полёты в самолётах 0.5

Атомная энергетика 0.2

Телевизоры и мониторы 0.1

Общая доза 500

2. Космические лучи

Космические лучи - элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий во Вселенной.

Физика космических лучей изучает:

- процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;

- частицы космических лучей, их природу и свойства;

- явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных частиц, попадающих в магнитосферу Земли из космического пространства (первичные лучи), а также потоков вторичных частиц, родившихся в ядерных реакциях в верхних слоях земной атмосферы, - является важнейшими экспериментальными задачами.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

До развития ускорительной техники космические лучи служили единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в космических лучах.

Химический спектр космических лучей в пересчете энергии на нуклон более чем на 94% состоит из протонов, ещё на 4% - из ядер гелия (альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно меньше. В пересчете энергии на частицу доля протонов составляет около 35%, доля тяжёлых ядер соответственно больше.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Химический состав первичного космического излучения отличается от состава звёзд и межзвёздного газа высоким (в несколько тысяч раз) содержанием ядер группы L (литий, бериллий, бор).

Данное явление объясняется тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн. лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве.

В околоземном космическом пространстве (ОКП) различают несколько типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо и радиационный пояс. К нестационарным - солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ).

Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е > 10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области Е < 100 МэВ/нуклон частицы образуются за счет ускорения в межпланетной среде частиц солнечного ветра и межзвездного газа. Дифференциальный энергетический спектр ГКЛ носит степенной характер.

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: частицы альбедо, радиационный пояс.

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E

< Eкр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне Бразильской магнитной аномалии - БМА) до 6000 км (внутренний радиационный пояс земли - РПЗ) и от 12000 км до 40000 км (внешний РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего - электроны.

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях L ~3 радиусов Земли от её центра. Электроны малых энергий заполняют всю область захвата.

Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее время распада ~ 900 с), часть из них распадается в зонах, недоступных для заряженных частиц малых энергий.

Таким образом, продукты распада нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и pitch-углов эти протоны и электроны могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.

Частицы альбедо - это вторичные частицы, отраженные от атмосферы Земли.

Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 10. МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.

Солнечные космические лучи.

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы - электроны, протоны и ядра, - инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы СКЛ появляются вследствие солнечных вспышек.

Космические лучи ультравысоких энергий.

Энергия некоторых частиц превышает Предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина - теоретический предел энергии для космических лучей 6.1019 эВ. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических лучей.

Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего - газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда частица высокой энергии входит в атмосферу она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г./см., рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

3. Естественный радиационный фон

Космическое пространство пронизано заряженными частицами разного происхождения: галактическим излучением, корпускулярным излучением Солнца и захваченными частицами, удерживаемыми на околоземных орбитах магнитным полем Земли. Галактическое излучение состоит главным образом из протонов с небольшим количеством ионов гелия и более тяжелых металлов, а также электронов, фотонов, нейтронов. Энергетический спектр космических лучей простирается до огромных энергий - свыше 1020 эВ/нуклон. Корпускулярное излучение Солнца по составу близко к галактическому, но имеет заметный временной ход и ограничено более низкими энергиями частиц - до 5?1010 эВ/нуклон. Эмиссия излучения протекает непрерывно и отражает 11-летний цикл солнечной активности.

Первичные космические лучи в результате процессов ионизации и ядерных взаимодействий быстро теряют свою энергию и практически исчезают на высоте около 20 км. Образуется вторичное излучение, интенсивность которого падает по мере снижения в атмосфере. Мощность дозы, поглощаемой воздухом на уровне моря в средних широтах, составляет 32 нГр/ч (с высотой она удваивается через каждые 1.5 тыс. м); для людей это соответствует средней мощности эквивалентной дозы 355 мкЗв/ч.

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. 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.

Естественное фоновое облучение человека обусловливается внешним и внутренним облучением. Внешнее облучение создается за счет воздействия на организм ионизирующих излучений от внешних, по отношению к человеку, источников излучения, а внутреннее - за счет воздействия на организм ионизирующих излучений радиоактивных нуклидов, находящихся внутри организма.

Космические излучения и изотопы земной коры создают естественный радиационный фон, который характерен для каждой местности. Различают первичное и вторичное космическое излучение.

Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства, солнечной системы. Оно состоит из протонов (примерно 90%) и альфа-частиц (около 10%). В меньших количествах присутствуют нейтроны, электроны, ядра легких элементов. Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики. Энергия частиц первичного излучения достигает 1012-1014 МэВ. Кроме того, при солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение, которое приводит к увеличению дозы облучения на поверхности Земли.

Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Оно содержит практически все известные в настоящее время элементарные частицы. У поверхности Земли оно состоит в основном из фотонов, электронов и позитронов с энергией до 100 МэВ.

Мощность космических лучей, достигающих земной поверхности, зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Изменение мощности космических лучей в зависимости от географической широты обусловлено тем, что Земля похожа на гигантский магнит. Поэтому космические лучи, будучи заряженными частицами, отклоняются от экватора и собираются вместе в виде своеобразных воронок в области полюсов Земли. Области вблизи экватора, находящиеся на уровне моря, получают наименьшую дозу космического излучения, примерно равную 0,35 мЗв/год. На широте 50° доза космического излучения составляет 0,5 мЗв/год. Это обусловлено тем, что толстый слой атмосферы, содержащий воздух и пары воды, разрушая, замедляя и останавливая движение многих быстрых заряженных частиц, двигающихся из космоса.

С ростом высоты над уровнем моря мощность эквивалентной дозы космического излучения увеличивается. Например, на высоте 4500 м доза облучения из космоса составляет 3 мЗв/год, а на вершине пика Эвереста (8848 м над уровнем моря), соответствующий показатель равен 8 мЗв/год.

Фон радиоактивный, естественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественные радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде, а также в животных и растительных организмах. Фоновому облучению подвергаются все живые организмы Земли, в том числе человек (средние значения годовых доз облучения человека представлены в табл.). В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания радионуклидов в окружающей среде Радиоактивный фон колеблется в значительных пределах. В отдельных районах с высоким содержанием природных радионуклидов он может достигать 1000 мрад/год и больше. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях воздействия ионизирующих излучений. Биологическое значение радиоактивного фона, однако, окончательно ещё не выяснено. Считают, что часть наследственных изменений - мутаций у животных и растений связана с радиоактивным фоном.

Фоновое нейтронное излучение атмосферы.

Космический эксперимент «БТН-Нейтрон» на Российском сегменте МКС заключался в исследовании фонового нейтронного излучения Земли. С 2001 по 2007 годы в ИКИ РАН проводились работы по разработке и созданию аппаратуры БТН-М1 для реализации научного эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту Российского сегмента МКС.

Целями этого эксперимента являются:

- исследование вторичного нейтронного излучения верхней атмосферы Земли под воздействием энергичных заряженных частиц в магнитосфере,

- исследование нейтронной компоненты солнечных вспышек,

- исследование нейтронной компоненты радиационного фона на борту МКС.

Особенностью проведения эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту МКС является возможность синхронных измерений нейтронного излучения Марса в российском эксперименте ХЕНД на борту автоматической межпланетной станции НАСА «Марс Одиссей». Совместная обработка данных измерений с двух приборов на орбитах вокруг

Земли и Марса создает уникальную возможность для стереоскопических измерений потоков нейтронов от солнечных вспышек с различных точек Солнечной системы. При этом возникает возможность сравнения вариаций радиационной обстановки на различных фазах солнечного цикла, и также сравнение радиационных условий на околоземных и межпланетных космических аппаратах.

На карте хорошо видно увеличение скорости счета нейтронов на высоких широтах и также в области Южно-Атлантической (Бразильской) Магнитной аномалии. В этих районах происходит увеличение потока энергичных заряженных частиц в верхней атмосфере Земли, что приводит в возрастанию вторичного нейтронного излучения.

4. Радиационный пояс Земли

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E< Eкр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещенные области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов). Радиационный пояс Земли (РПЗ) в западной литературе обычно называется поясом Ван-Аллена. РПЗ был открыт американскими и советскими учеными в 1957-1958 годах и представляет собой в первом приближении тороид, в котором выделяется две области:

- внутренний радиационный пояс на высоте ~ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

- внешний радиационный пояс на высоте ~ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Зависимость положения нижней границы радиационного пояса - долготная. Над Атлантикой возрастание интенсивности начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции В, то все измерения уложатся на одну кривую, что еще раз подтверждает магнитную природу захвата.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем - электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сот килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное, по сравнению с проникающими, пространственное распределение.

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях L~3 от центра Земли. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам, однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий. Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E >1-5 МэВ) сосредоточены во внешнем поясе.

Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

Благодаря наличию сильного магнитного поля, планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс Земли.

Радиоизлучение радиационного пояса Юпитера впервые было обнаружено в 1955 г., однако природа излучения тогда оставалась непонятной. Непосредственные измерения в радиационном поясе Юпитера впервые были проведены КА Пионер-10, прошедшим через его наиболее плотную область в 1973 г.

Открытие радиационного пояса.

В настоящее время считается общепризнанным, что автором открытия радиационных поясов Земли является американский физик из университета штата Айова Джеймс Ван Аллен. Эта точка зрения была изложена в статье главного редактора журнала «Тайм» (май 1959 г.). Из нее следовало, что это открытие Ван Аллена, сделанное на основе измерений на спутниках «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3», было логическим завершением результатов его ранних экспериментов на геофизических ракетах, в то время, когда «…ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений состоит в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщить внешнему миру, как нужно интерпретировать сигналы с их спутников. Поскольку только нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые никогда не получали данных с больших высот. Если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не работало. Другое предположение состоит в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как объяснить это необычное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, умерла примерно через неделю, но русские не сообщили, было ли это вызвано воздействием излучения. Вполне возможно, что они этого не знали».

Хорошо известно, что значит такого рода публикация в «Тайме» да еще с красочным портретом героя статьи на первой странице обложки! И поэтому представляется совершенно естественным, что после этого мировая пресса стала связывать открытие только с именем американского физика, и на страницах замелькали новые термины: «излучение Ван Аллена», «пояса Ван Аллена»…

Надо отдать должное самому автору открытия, быстро разобравшемуся в сложившейся ситуации: «Я выражаю существенное несогласие с разделом статьи относительно неудач советских исследователей по обнаружению захваченного излучения.

По моему представлению, наша работа со спутником «Эксплорер-1» действительно обеспечила основное открытие, и я сделал первое публичное сообщение на объединенной сессии Американского Физического Общества и Национальной Академии наук США 1 мая 1958 г. Двумя неделями позже был успешно запущен советский «Спутник-3», и он обеспечил существенное подтверждение наших ранних результатов».

Итак, в начале августа 1958 г. было установлено, что в окрестности Земли присутствуют интенсивные, захваченные геомагнитным полем, потоки протонов, - с энергией порядка 100 МэВ (С.Н. Вернов) и электронов, - с энергиями в десятки кэВ (В.И. Красовский, Дж. Ван Аллен). Эти выводы вполне укладывались в рамки теорий того времени. До открытия явления, позже названного «радиационным поясом Земли», оставалось сделать еще один шаг - доказать, что заряженные частицы, «накопленные» в геомагнитном поле, могут дрейфовать в азимутальном направлении. Эта возможность обсуждалась еще в 1946 г. при разработке зеркальной магнитной ловушки и считалась проблематичной из-за предполагаемого образования пространственного заряда от разделяющихся при дрейфе электронов и ионов. Доказать существование дрейфа заряженных частиц могли только эксперименты с инжекцией заряженных частиц в геомагнитную ловушку. Ими стали высотные ядерные взрывы, проведенные США в августе - сентябре 1958 г.

Структура радиационного пояса.

Радиационные пояса принято разделять на внутренний и внешний, хотя это разделение носит весьма условный характер. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, и его нижняя граница находится на различной высоте над разными районами Земли. Например, над Южной Америкой пояс проходит лишь на высоте всего 200-300 км, в то время как над Австралией - на высоте 1600 км.

Максимальная концентрация протонов во внутреннем поясе (а он составлен в основном этими частицами) наблюдается на высоте около 3000 км. Энергии протонов здесь лежат в пределах 20-800 МэВ. Число протонов с этими энергиями значительно уменьшается при росте расстояния от Земли и при его сокращении. Из-за своей огромной проникающей способности протоны представляют значительную опасность для экипажей космических кораблей, достигающих значительных высот. Энергия электронов внутреннего пояса, как правило, бывает порядка 100 кэВ, а максимальная их концентрация наблюдается на высотах около 3400 км от земной поверхности.

Границы внешнего радиационного пояса принято считать находящимися на расстояниях 19 тыс. и 45 тыс. км от Земли. Здесь преобладают протоны с энергиями до нескольких сотен кэВ и электроны с энергиями от 40 до 100 кэВ.

Существующие теории объясняют появление частиц в радиационных поясах их дрейфом из «хвоста» магнитосферы во внешний пояс во время магнитных бурь под действием электрического поля и медленной диффузией частиц в магнитную ловушку при небольших вариациях магнитного поля. Процессы, приводящие к тому, что частицы покидают радиационные пояса, до сих пор остаются неясными. Лишь одна причина этого явления пока точно установлена - столкновение с частицами атмосферы. Остается надеяться, что дальнейшие исследования позволят ответить и на этот вопрос.

а) к началу 1959 г. (до анализа результатов с КА, запускавшихся к Луне). Единый пояс содержит максимум интенсивности на расстоянии двух радиусов Земли от ее центра плоскости экватора;

б) к середине 1959 г. (после анализа результатов с КА «Пионер-1, -2, -3, -4» и с III советского ИСЗ). В двух радиационных поясах максимумы находятся на удалении радиуса 1,5 земных (внутренний протонный) и 3,5 (внешний электронный). Цифры у контуров постоянной интенсивности характеризуют скорость учета экранированного счетчика Гейгера (в имп./с). Нанесена траектория удаления от Земли и возврата к ней КА «Пионер-3.

Радиационные пояса других планет. Интерес к радиационным поясам вновь возник через 11 лет после их прямой регистрации при пролетах КА «Пионер-10, -11» и «Вояджер-1, -2» через магнитосферы планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера (1973, 1974, 1979 гг.), Сатурна (1977, 1981 гг.), Урана (1986 г.) и Нептуна (1989 г.). Исследования показали, что их радиационные пояса во многом схожи с земными. Более энергичные захваченные частицы были обнаружены в их внутренних поясах и менее энергичные частицы - во внешних. Открыты и значительные отличия радиационных поясов планет-гигантов от земных.

Например, пояса Юпитера - оказались более сплюснутыми в плоскости экватора, - по сравнению с земными, - из-за быстрого вращения планеты вокруг своей оси.

Радиационные пояса Сатурна - оказались подобными земным. Из-за сильного наклона осей вращения Урана и оси его магнитного диполя к плоскости Земли меридиональные сечения его поясов, по-видимому, почти перпендикулярны плоскости эклиптики. Радиационные пояса Нептуна во многом сходны с поясами Земли. Получается, что даже при столь различных удалениях от Солнца планет-гигантов их пояса формируются, по-видимому, одинаковыми источниками.

Изложенная здесь история исследования радиационного окружения Земли позволяет ответить на вопрос о приоритетах их первооткрывателей словами Дж. Ван Аллена из его письма в журнал «Тайм» 1959 г.: «…вклады американских и советских исследователей в понимании огромной радиационной области перемежались за последние 15 месяцев». Два радиационных пояса под названиями «внутренний протонный» и «внешний электронный», по-прежнему фигурируют в литературе несмотря на то, что в 1962 г. было установлено, что плотность энергии захваченных электронов во внутреннем поясе намного выше, чем протонов, а во внешнем, соответственно, наоборот.

Широкомасштабные исследования радиационных поясов в начале 60-х годов имели, кроме научного, и политическое значение.

5. Бразильская магнитная аномалия

(БМА) - магнитная аномалия Земли в южном полушарии, у берегов Бразилии и Южной Африки (Бразильская и Кейптаунская аномалии, которые часто объединяются в Южно-Атлантическую аномалия (ЮАА)).

В физике космических лучей БМА играет очень важную роль, влияя на потоки высокоэнергетичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Из всех магнитных аномалий Земли наиболее значительное влияние на потоки частиц (космических лучей) оказывает БМА. В этой области величина магнитного поля на уровне моря такая, как на высоте 1000 км вне аномалий. Поскольку БМА отрицательна и располагается на низких широтах, в этом районе происходит не только опускание зеркальных точек частиц, но и провисание дрейфовых оболочек к Земле. Радиальные градиенты потоков частиц на L < 2, соответствующих этой аномалии, очень велики (крутая внутренняя кромка РП), и указанное провисание дрейфовых оболочек приводит к значительному росту потоков частиц, связанному с увеличением L при переходе от границ к центру аномалии (на заданной высоте). В отличие от отрицательных магнитных аномалий на более высоких широтах (Кейптаунской и Беринговой), Бразильская аномалия оказывает сильное влияние на потоки частиц в гораздо более широком диапазоне питчуглов, практически полностью опустошая оболочки с L < 1.1 в течение одного дрейфового периода.

Обратим внимание на распределение интенсивности космических лучей, полученное с помощью космического аппарата UoSAT в период с 09.1988 по 05.1992. Спутник зафиксировал значительное увеличение концентрации космических частиц в районе Бразильской (Южно-Атлантической - SAA) магнитной аномалии (рис. 12-5 справа). Этот эффект хорошо изучен, повышение уровня радиации связывается с тем, что горизонтальная компонента геомагнитного поля в районе SAA ниже, относительно среднего поля на экваторе, примерно, в 1.5-2 раза. Эта особенность позволяет протонам внутреннего радиационного пояса «проваливаться» в образовавшуюся «воронку» и попадать в атмосферу Земли, что должно было бы приводить к возрастанию радиационного фона на поверхности Земли. По-видимому, это действительно, так, - известно, что в Бразилии неподалеку от г. Посус-ди-Калдас (в 200 км к северу от г. Сан-Пауло, в центре SAA) на небольшой необитаемой возвышенности зарегистрирован уровень радиации порядка 250 - 300 мЗв/год. Информация об этом встречается во многих источниках, однако, ни в одном из них не объясняется причина повышения уровня радиации. Возможно, причина такого повышения уровня радиации заключается именно в локальном уменьшении магнитного поля в этом регионе примерно в два раза. Насколько достоверна эта идея, пока судить ещё рано. Очевидно только то, что если на Земле модуль геомагнитного поля понизится вдвое, радиационный фон вырастет значительно больше.

6. Земля в потоке космических лучей

По космическим масштабам Земля расположена очень близко от Солнца. Многие специалисты считают, что она вообще находится в области солнечной короны. Потоки направленных от Солнца заряженных частиц солнечного ветра с энергий от 1 эВ до 100 и более МэВ на Землю не попадают, т.к. отклоняются её магнитосферой.

Преодолев отклоняющее действие магнитосферы, в атмосферу Земли способны проникнуть только галактические космические лучи (ГКЛ), обладающие энергией, большей т.н. «энергии обрезания». Для различных широт эта энергия различается, оставаясь в целом по Земле на уровне ~ 10 ГэВ. Частицы (протоны и мезоны) обладающие столь большой энергией, тем не менее, поверхности Земли не достигают, тормозясь в её атмосфере, рассеиваясь на ядрах атомов воздуха, генерируя жесткое излучение и приводя к рождению элементарных частиц, в основном р-мезонов. Мезоны распадаются с образованием мюонной и нейтринной компонент. Образующиеся при этих процессах мюоны и медленные нейтроны, регистрируются на Земле нейтронными мониторами ГКЛ.

Не вызывает сомнения, что поток солнечных космических лучей достигая Земли вызывал бы несовместимую с жизнью радиационную обстановку. К счастью для Земли, она защищена от солнечного ветра своеобразным магнитосферным «зонтом».

Представим себе, что по какой-то причине этот «зонт» порвался. На Землю, при этом, обрушится вся сила «дождя» солнечного ветра. Мало того, при этом произойдет разрушение радиационных поясов Земли и на Землю, дополнительно к «дождю», попадут ещё и «брызги» от разрушенных радиационных поясов, своеобразных «резервуаров» - накопителей того же «дождя».

Энергия ГКЛ, проходящих сквозь магнитосферу и попадающих в атмосферу Земли определяется величиной т.н. геомагнитного обрезания. При этом частицы ГКЛ падающие вертикально на экватор, обладают энергией Е ? 1.5 1010 эВ, на геомагнитную широту 51, Е ? 2.5 109 эВ. Интенсивность ГКЛ на экваторе меньше, чем в полярных широтах, это т.н. широтный эффект. В радиационных поясах: для частиц с энергией Е > 30 МэВ поток 103 см-2 с-1; для частиц Е > 1 МэВ, поток 105 см-2 с-1

Радиация. Основные понятия. Дозы. Доза излучения определяется в зивертах, один зиверт равен 1 Дж/кг = 104 эрг/г = 102 бэр. Поглощенная доза (D) ранее определялась в радах, теперь - в греях (1 рад = 100 эрг/г = 0.01 грей = 2.388 10-6 кал/г). При поглощенной дозе D = 0.01 Гр (1 рад) происходит нарушение жизнедеятельности клеток. Принято считать Dо, как дозу, снижающую число выживших клеток в е раз. Для большинства делящихся клеток Dо = (1.2 - 2) Гр. 1 Гр = 104 эрг/г. Удельные энергии одного зиверта и одного грея - равны.

В состав первичного космического излучения входят протоны высоких энергий и ядра некоторых легких элементов. Их взаимодействие с ядрами атомов, присутствующих в атмосфере Земли, приводит к образованию ядер новых легких элементов, мюонов, нейтронов, рентгеновского и г - излучения. Это так называемое вторичное космическое излучение достигает поверхности Земли.

Радиационный фон Земли складывается из:

- Космическое излучение составляет - 410 мкЗв;

- г - излучение 40К - 150 мкЗв;

- радионуклиды ториевого и уранового рядов - 160 и 100 мкЗв;

- космогенные нуклиды: 3Н, 7Ве, 14С, 22Na - 15 мкЗв.

Космическое излучение, величина которого ограничивается присутствием магнитосферы, составляет значительную часть радиационного фона.

Эффекты воздействия ионизирующего излучения на живой организм разделяют на две категории: соматические, которые возникают в организме человека, непосредственно подвергшегося облучению, и генетические, проявляющиеся у его потомков.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению жизнедеятельности организма в целом. Генетические последствия облучения человека ионизирующей радиацией проявляются в виде хромосомных повреждений, генных мутаций, приводя к изменениям в фенотипе человека. Степень изменений зависит от важности вовлеченных в мутагенез генов, масштабов нарушений и характера наследования возникших мутаций. Авторы (Forster, et al. 2002), исследуя мтДНК людей, проживающих в условиях природного повышенного радиационного фона, показали, что воздействие ионизирующей радиации ускоряет механизм эволюционных мтДНК мутаций.

Степень воздействия поглощенного ионизирующего излучения зависит от того, каким типом излучения обусловлена доза. При одинаковой поглощенной дозе б - излучение гораздо опаснее в - или г - излучений. Дозу следует умножать на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма.

Пересчитанную таким образом дозу называют эффективной дозой. Единица эффективной дозы - 1 зиверт. Согласно принятым в нашей стране нормам, предельно-допустимая доза для жителей России равна 5 мЗв/год (Бердоносов, Сапожников, 2001).

Доза, которая приводит к гибели половины пораженного населения в течение 60 дней, именуется дозой ЛД50 (летальная доза, 50-процентное поражение). Для взрослого человека доза составляет ~ 4 Зв (Самнер и др., 1999).

Для млекопитающих и, в частности, человека, есть данные, что удвоение частоты самопроизвольных, спонтанных мутаций находится в диапазоне 0,5-2,5 Зв (Гуськов, 2003).

Литература

1. Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7 (2). С. 40-46.

2. Белишева Н.К., Гак Е.З. Значение вариаций космических лучей для функционирования биосистем // В кн.: Сб. научных докл. VII Межд. конф. «Экология и развитие Севера-Запада России». - Санкт-Петербург. - 2002. - С. 118-129.

3. Герасимова Н.В., Блинов Б.К., Марченко Т.А. и др. Чернобыльская катастрофа. Итоги и проблемы преодоления ее последствий в России 1986-2001. 2001.

4. Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. - Петропавловск-Камчатский: КамГУ им. Витуса Беринга, 2008. - 336 с.

5. Салоп Л.И. О связи оледенений и этапов быстрых изменений органического мира с космическими явлениями // Бюллетень М. о-ва исп. природы, отд. Геологии. - 1977. - Т. 52, №1. - С. 5-32.

Размещено на Allbest.ru