Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс

Рис. 6

Рис. 6. Русский ученый С. Н. Вернов (1910—1982), открывший внешний радиационный пояс [69]

Рис. 7

Рис. 7. Отечественный ученый А. Е. Чудаков (1921—2001), открывший внешний радиационный пояс [69]

Магнитное поле – это самая эффективная зона защиты человека от ионизирующих излучений от Солнца и галактики. Именно благодаря магнитному полю, существующему вокруг Земли, человек не облучается под воздействием солнечного излучения и других ионизирующих излучений из космоса. Однако это поле не распространяется до Луны, а вокруг Луны вообще нет магнитного поля. Поэтому следует изучить дальность распространения магнитного поля от Земли. На рис. 4 показаны четыре зоны формирования магнитного поля.

Магнитосфера Земли – это самая внешняя из магнитных защитных оболочек Земли. Она представляет собой деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собой солнечное магнитное поле. Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, вытянутыми на много земных радиусов в ночную сторону. Эффективная зона хвоста магнитосферы тянется до 15 земных радиусов.

Магнитосфера имеет сложную непостоянную по конфигурации форму и магнитный шлейф. Внешняя граница магнитосферы устанавливается на расстоянии около 100 – 200 тыс. км от Земли, где магнитное поле ослабевает и становится соизмеримым с космическим магнитным полем.

Рис. 8. Схема строения радиационных поясов, предложенная Дж. Ван Алленом [66]: верхний рисунок: к началу 1959 г.; единый пояс содержит максимум интенсивности на расстоянии двух радиусов Земли от ее центра плоскости экватора;

Рис. 8

Нижний рисунок: 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).

Радиационный пояс Ван Аллена представляет собой зону энергии заряженные частицы, большинство из которых происходит из солнечного ветра, которые захватываются и удерживаются вокруг планеты магнитным полем этой планеты. Земля имеет два таких пояса, и иногда могут быть временно созданы другие. Два основных пояса Земли простираются от высоты примерно от 640 до 58000 км (от 400 до 36040 миль) над поверхностью, в этой области уровни излучения меняются. Считается, что большинство частиц, образующих пояса, происходит от солнечного ветра и других частиц космических лучей. Улавливая солнечный ветер, магнитное поле отклоняет эти энергичные частицы и защищает атмосферу от разрушения [62].

Рис. 9

Рис. 9. Солнечные вспышки, солнечный ветер и радиационные пояса вокруг Земли [67]

Американец Ван-Аллен открыл только внутренний пояс, а открывателями внешнего радиационного пояса являются советские ученые Вернов и Чудаков.

Значительная разница в экспериментах Вернова и Ван Аллена состояла в обследованных областях пространства. Спутник-2, имел наклон орбиты к земному экватору около 65°, американские Explorer-1, -3 – около 33°. Информация с советского спутника передавалась каждый день с трех витков, проходящих над территорией СССР, и принималась станциями, расположенными на территории СССР, а информация с остальной, большей части витков, была нам недоступна. Как потом стало ясно, это несовершенство эксперимента лишило нас очень важной информации в районе апогея орбиты (1760 км), где потоки частиц были значительно больше, т.е. фактически приоритета обнаружения повышенной радиации на больших высотах над поверхностью Земли. С американских спутников информация поступала практически со всех континентов, они на первых же витках получили данные о потоках частиц на всех высотах полета.

Такая интерпретация авторами первых измерений энергичных заряженных частиц на спутниках говорит о том, что обе группы, советская и американская, были не готовы к восприятию обнаруженного нового явления. Однако, результаты, доложенные Ван Алленом 1 мая 1958 года всколыхнули научную общественность, начались бурные обсуждения в различных научных группах, в основном на Западе. В Советский Союз в те времена информация, даже чисто научная, просачивалась с трудом. Результаты же полета Спутника-2 стали известны научной общественности только в июне 1958 года (дата выхода в свет журнала), да и то, в основном, русскоязычным читателям. Такое катастрофическое различие в популяризации своих достижений было характерно для советского периода, оно объясняется рядом причин, среди которых секретность стояла не на последнем месте.

Важный этап понимания нового явления приходится на май 1958 года, когда был запущен Спутник-3 (15 мая 1958 г).

Таким образом, к концу лета 1958 года научное сообщество узнало о существовании вокруг Земли областей повышенной радиации, о том, что эта радиация разделена на две зоны, внутреннюю -экваториальную и внешнюю – приполярную. Внутренняя зона заполнена, в основном, протонами 100 МэВ, внешняя – электронами 100 кэВ. Было установлено, что эти частицы захвачены магнитным полем Земли, и найден возможный источник наполнения поясов частицами.

Часть 1. Размеры поясов Ван Аллена и параметры основных ионизирующих излучений в них

Пояса Ван Аллена – области в магнитосфере Земли, в которых накапливаются и хранятся заряженные частицы, которые создают зоны повышенной радиации. Области в форме бубликов или овалов, состоят из внутреннего пояса (область с максимально высокой радиацией всего пояса, находится на расстоянии 600 км, заканчивается на 6000 км) и внешнего (в нем интенсивность много ниже, но он более обширный; начинается на высоте 10 000 км, заканчивается 60 000 км). Внутренний пояс очень стабилен по сравнению со внешним – тот изменяет свою концентрацию и размер в зависимости от геомагнитных бурь, вызываемых волной солнечных частиц.

Рис. 10

Рис. 10. Зоны магнитных полей от Земли [15]

I – внутренний, протонный пояс Земли с максимальной плотностью высокоэнергетических протонов на высоте от 3 тыс. км до 4 тыс. км;

II – пояс протонов малой энергии;

III – внешний электронный радиационный пояс, около 22 тыс. км;

IV – зона квазизахвата частиц «солнечного ветра».

Магнитосфера Земли – это самая внешняя из магнитных защитных оболочек Земли. Она представляет собой деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собой солнечное магнитное поле. Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, вытянутыми на много земных радиусов в ночную сторону.

Рис. 11

Рис. 11. Радиационные зоны для электронов и протонов [17]

Рис. 12

Рис. 12. Радиационные зоны для электронов c энергией более 0,5 МэВ и протонов с энергией более 10 МэВ [17]

Рис. 13

Рис. 13. Пояса Ван Аллена, на верхнем рисунке показаны зоны высокоэнергетичных протонов, а на нижнем рисунке – зоны высокоэнергетичных электронов [51]

Пояса Ван Аллена состоят из заряженных частиц космических лучей и солнечного ветра, притягиваемых магнитным полем Земли. Каждый из поясов образует вокруг Земли тор. Соотношение и энергетический уровень заряженных частиц различаются во внутреннем и внешних поясах. Как показано на верхней диаграмме, пояса Ван Аллена насыщены высоко заряженными протонами. Нижняя диаграмма иллюстрирует содержание высоко заряженных электронов (области наиболее высокой концентрации выделены темным цветом).

Зоны Ван Аллена характерны расположены вокруг Земли. У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы и отсутствует защитное магнитное поле. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна – она смертельна [52].

Сведения по внутренней зоне Ван Аллена в разных источниках информации:

– внутренний радиационный пояс на высоте ? 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ [11];

– внутренний пояс Ван Аллена (внутренний ЕРПЗ), который находится на высоте 3000—12000 км и состоит, в основном, из протонов с энергией 10—500 МэВ, а также небольшого количества нейтронов [22, 49];

– внутренний пояс находится на высоте от 3 до 12 тыс. км над поверхностью Земли [67, 70];

– БСЭ [61]: внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией E

> 20 МэВ до 10

 протон/ (см

?сек?стер) на расстоянии L; во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20—40 кэв до 1 МэВ; плотность потока электронов с E

? 40 кэв составляет в максимуме 10

—10

 электрон/ (см

?сек?стер);

– внутренний пояс Ван Аллена обычно простирается от высоты от 0,2 до 2 радиусов Земли (значения L от 1 до 3) или от 1000 км (620 миль) до 12000 км (7500 миль) над Землей; в некоторых случаях, когда солнечная активность сильнее или в географических областях, таких как Южно-Атлантическая аномалия, внутренняя граница может снизиться примерно до 200 километров над поверхностью Земли;

– внутренний пояс содержит высокие концентрации электронов в диапазоне сотен кэВ и энергичные протоны с энергией, превышающей 100 МэВ, захваченные сильными (относительно внешних поясов) магнитными полями в этом регионе [62];

– он расположен на высоте 1 000 – 24 000 километров от поверхности планеты; бывают исключения, когда во время высокой солнечной активности, а также в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может опускаться до 200 км от Земли. Состоит внутренний пояс из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 МэВ; дополнительно, во время геомагнитных бурь образуются протоны более низких энергий [63].