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.
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.
Орбиту Международной космической станции несколько раз поднимали, и сейчас ее высота составляет более 400 км. Это делалось для того, чтобы увести летающую лабораторию от плотных слоев атмосферы, где молекулы газов еще довольно заметно тормозят полет и станция теряет высоту. Чтобы не корректировать орбиту слишком часто, хорошо бы поднять станцию еще выше, но делать этого нельзя. Примерно в 500 км от Земли начинается нижний (протонный) радиационный пояс. Длительный полет внутри любого из радиационных поясов (а их два) будет гибельным для экипажей.
Космонавт-ликвидатор
Тем не менее нельзя сказать, что на высоте, на которой сейчас летает МКС, проблемы радиационной безопасности нет. Во‑первых, в районе Южной Атлантики существует так называемая Бразильская, или Южно-Атлантическая, магнитная аномалия. Здесь магнитное поле Земли как бы провисает, а с ним ближе к поверхности оказывается нижний радиационный пояс. И МКС его все-таки касается, пролетая в этом районе.
Во-вторых, человеку в космосе угрожает галактическое излучение — несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых или деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел. Часть этих частиц задерживается магнитным полем Земли (что является одним из факторов формирования радиационных поясов), другая часть теряет энергию в столкновении с молекулами газов в атмосфере. Что-то долетает и до поверхности Земли, так что небольшой радиоактивный фон присутствует на нашей планете абсолютно везде. В среднем проживающий на Земле человек, не имеющий дела с источниками радиации, ежегодно получает дозу в 1 миллизиверт (мЗв). Космонавт на МКС зарабатывает 0,5−0,7 мЗв. Ежедневно!
Радиационные пояса Земли представляют собой области магнитосферы, в которых накапливаются высокоэнергетичные заряженные частицы. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов, внешний — из электронов. В 2012 году спутником NASA был открыт еще один пояс, который находится между двумя известными.
«Можно привести интересное сопоставление, — говорит заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шуршаков. — Допустимой ежегодной дозой для сотрудника АЭС считаются 20 мЗв — в 20 раз больше, чем получает обычный человек. Для специалистов по ликвидации аварий, этих особым образом подготовленных людей, максимальная годовая доза составляет 200 мЗв. Это уже в 200 раз больше по сравнению с обычной дозой и… практически столько же, сколько получает космонавт, проработавший год на МКС».
В настоящее время медициной установлена максимальная предельная доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем. Это 1000 мЗв, или 1 Зв. Таким образом, даже работник АЭС с его нормативами может спокойно трудиться лет пятьдесят, ни о чем не беспокоясь. Космонавт же исчерпает свой лимит всего за пять лет. Но, даже налетав четыре года и набрав свои законные 800 мЗв, он уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.
«Еще одним фактором радиационной опасности в космосе, — объясняет Вячеслав Шуршаков, — является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. В момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко — 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают стохастически, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Я не помню такого, чтобы мы были бы заранее предупреждены нашей наукой о грядущем выбросе. Обычно дело обстоит по‑другому. Дозиметры на МКС вдруг показывают повышение фона, мы звоним специалистам по Солнцу и получаем подтверждение: да, наблюдается аномальная активность нашего светила. Именно из-за таких внезапно возникающих солнечных протонных событий мы никогда точно не знаем, какую именно дозу привезет с собой космонавт из полета».
Частицы, сводящие с ума
Радиационные проблемы у экипажей, отправляющихся на Марс, начнутся еще у Земли. Корабль массой 100 или более тонн придется долго разгонять по околоземной орбите, и часть этой траектории пройдет внутри радиационных поясов. Это уже не часы, а дни и недели. Дальше — выход за пределы магнитосферы и галактическое излучение в его первозданной форме, много тяжелых заряженных частиц, воздействие которых под «зонтиком» магнитного поля Земли ощущается мало.
«Проблема в том, — говорит Вячеслав Шуршаков, — что влияние частиц на критические органы человеческого организма (например, нервную систему) сегодня мало изучено. Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе. Пока не накоплено достаточно данных по существованию живых организмов за пределами магнитного поля Земли, отправляться в длительные космические экспедиции очень рискованно».
Когда специалисты по радиационной безопасности предлагают конструкторам космических аппаратов усилить биозащиту, те отвечают, казалось бы, вполне рациональным вопросом: «А в чем проблема? Разве кто-то из космонавтов умер от лучевой болезни?» К сожалению, полученные на борту даже не звездолетов будущего, а привычной нам МКС дозы радиации хоть и вписываются в нормативы, но вовсе не безобидны. Советские космонавты почему-то никогда не жаловались на зрение — видимо, побаиваясь за свою карьеру, но американские данные четко показывают, что космическая радиация повышает риск катаракты, помутнения хрусталика. Исследования крови космонавтов демонстрируют увеличение хромосомных аберраций в лимфоцитах после каждого космического полета, что в медицине считается онкомаркером. В целом сделан вывод о том, что получение в течение жизни допустимой дозы в 1 Зв в среднем укорачивает жизнь на три года.
Лунные риски
Одним из «сильных» доводов сторонников «лунного заговора» считается утверждение о том, что пересечение радиационных поясов и нахождение на Луне, где нет магнитного поля, вызвало бы неминуемую гибель астронавтов от лучевой болезни. Американским астронавтам действительно приходилось пересекать радиационные пояса Земли — протонный и электронный. Но это происходило в течение всего лишь нескольких часов, и дозы, полученные экипажами «Аполлона» в ходе миссий, оказались существенными, но сопоставимыми с теми, что получают старожилы МКС. «Конечно, американцам повезло, — говорит Вячеслав Шуршаков, — ведь за время их полетов не произошло ни одного солнечного протонного события. Случись такое, астронавты получили бы сублетальные дозы — уже не 30 мЗв, а 3 Зв.
Намочите полотенца!
«Мы, специалисты в области радиационной безопасности, — говорит Вячеслав Шуршаков, — настаиваем на том, чтобы защита экипажей была усилена. Например, на МКС наиболее уязвимыми являются каюты космонавтов, где они отдыхают. Там нет никакой дополнительной массы, и от открытого космоса человека отделяет лишь металлическая стенка толщиной в несколько миллиметров. Если приводить этот барьер к принятому в радиологии водному эквиваленту, это всего лишь 1 см воды. Для сравнения: земная атмосфера, под которой мы укрываемся от излучения, эквивалентна 10 м воды. Недавно мы предложили защитить каюты космонавтов дополнительным слоем из пропитанных водой полотенец и салфеток, что намного бы снизило действие радиации. Разрабатываются медикаментозные средства для защиты от излучения — правда, на МКС они пока не используются. Возможно, в будущем методами медицины и генной инженерии мы сможем усовершенствовать тело человека таким образом, чтобы его критические органы были более устойчивыми к факторам радиации. Но в любом случае без пристального внимания науки к этой проблеме о дальних космических полетах можно забыть».
Тамбовское областное государственное общеобразовательное учреждение
Общеобразовательная школа – интернат с первоначальной летной подготовкой
имени М. М. Расковой
Реферат
«Космическое излучение»
Выполнил: воспитанник 103 взвода
Краснослободцев Алексей
Руководитель: Пеливан В.С.
Тамбов 2008 г
1. Вступление.
2. Что такое космическое излучение.
3. Как возникает космическое излучение.
4. Воздействие космического излучения на человека и окружающую среду.
5. Средства защиты от космического излучения.
6. Образование Вселенной.
7. Заключение.
8. Библиография.
1. ВСТУПЛЕНИЕ
Человек не останется вечно на земле,
но в погоне за светом и пространством,
сначала робко проникнет за пределы
атмосферы, а затем завоюет себе всё
околосветное пространство.
К. Циолковский
XXI век – век нанотехнологий и гигантских скоростей. Наша жизнь течет беспрестанно и неминуемо, и каждый из нас стремится идти в ногу со временем. Проблемы, проблемы, поиски решений, огромный поток информации со всех сторон… Как со всем этим справиться, как найти свое место в жизни?
Попробуем остановиться и задуматься…
Психологи утверждают, что человек может бесконечно долго смотреть на три вещи: огонь, воду и звездное небо. Действительно, небо всегда привлекало человека. Оно удивительно красиво на восходе и закате солнца, оно кажется безгранично голубым и глубоким днем. И, глядя на пролетающие невесомые облака, наблюдая за полетами птиц, хочется оторваться от повседневной суеты, подняться в небо и почувствовать свободу полета. А звездное небо темной ночью… как оно загадочно и необъяснимо прекрасно! И как хочется приоткрыть завесу таинственности. В такие минуты ты ощущаешь себя маленькой частицей огромного, пугающего и все же непреодолимо манящего тебя пространства, которое носит название Вселенной.
Что такое Вселенная? Как она возникла? Что таит она в себе, что приготовила для нас: «всемирный разум» и ответы на многочисленные вопросы или гибель человечества?
Вопросы возникают нескончаемым потоком.
Космос… Для обычного человека он кажется недосягаемым. Но, тем не менее, воздействие его на человека постоянно. По большому счету именно космическое пространство обеспечило те условия на Земле, которые привели к зарождению привычной для нас с вами жизни, а значит и появлению самого человека. Влияние космоса в значительной степени ощутимо и сейчас. «Частицы вселенной» доходят до нас сквозь защитный слой атмосферы и оказывают воздействие на самочувствие человека, его здоровье, на те процессы, которые протекают в его организме. Это для нас, живущих на земле, а что говорить о тех, кто осваивает космическое пространство.
Меня заинтересовал такой вопрос: что такое космическое излучение и каково его влияние на человека?
Я учусь в школе-интернате с первоначальной летной подготовкой. К нам приходят мальчишки, которые мечтают покорить небо. И первый шаг к осуществлению своей мечты они уже сделали, оставив стены родного дома и решившись прийти в эту школу, где изучаются основы полетов, конструкции летательных аппаратов, где у них есть возможность каждый день общаться с людьми, неоднократно поднимавшимися в небо. И пусть это пока только самолеты, которые не могут в полной мере преодолеть земное притяжение. Но ведь это только первый шаг. Судьба и жизненный путь любого человека начинается с маленького, робкого, неуверенного шажка ребенка. Кто знает, может быть, кто-то из них сделает второй шаг, третий… и будет осваивать космические летательные аппараты и поднимется к звездам в безграничные просторы Вселенной.
Поэтому для нас этот вопрос достаточно актуален и интересен.
2. ЧТО ТАКОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.
В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см 2 за 1с. Оно состоит из:
- протонов – 91%
- α-частиц – 6,6%
- ядер других более тяжелых элементов – менее 1%
- электронов – 1,5%
- рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения
- солнечного излучения.
Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.
Среднее значение энергии космических частиц около 10 4 МэВ, а энергия отдельных частиц – 10 12 МэВ и более.
3. КАК ВОЗНИКАЕТ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ?
По современным представлениям главным источником космического излучения высоких энергий являются взрывы сверхновых звезд. По данным, полученным с помощью принадлежащего NASA орбитального рентгеновского телескопа, были получены новые доказательства того, что значительный объем космического излучения, постоянно бомбардирующего Землю, произведен ударной волной, распространяющейся после взрыва сверхновой звезды, который был зарегистрирован еще в 1572 году. Судя по наблюдениям рентгеновской обсерватории «Чандра», останки сверхновой звезды продолжают разбегаться со скоростью более 10 миллионов км/ч, производя две ударные волны, сопровождаемые массированным выделением рентгеновского излучения. Причем, одна волна
движется наружу, в межзвездный газ, а вторая –
внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также
утверждать, что значительная доля энергии
«внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.
Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.
Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.
4. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА
И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Результаты исследования, проведенного сотрудниками университета Софии Антиполис в Ницце, показывают, что космическое излучение сыграло важнейшую роль в зарождении биологической жизни на Земле. Давно известно, что аминокислоты способны существовать в двух формах – левосторонней и правосторонней. Однако на Земле в основе всех биологических организмов, развившихся естественным образом, находятся только левосторонние аминокислоты. По мнению сотрудников университета, причину следует искать в космосе. Так называемое циркулярно-поляризованное космическое излучение разрушило правосторонние аминокислоты. Циркулярно-поляризованный свет – это форма излучения, поляризуемая космическими электромагнитными полями. Такое излучение образуется, когда частицы межзвездной пыли выстраиваются вдоль линий магнитных полей, пронизывающих всё окружающее пространство. На циркулярно-поляризованный свет приходится 17% всего космического излучения в любой точке космоса. В зависимости от стороны поляризации такой свет избирательно расщепляет один из типов аминокислот, что подтверждается экспериментом и результатами исследования двух метеоритов.
Космическое излучение является одним из источников ионизирующего излучения на Земле.
Природный радиационный фон за счет космического излучения на уровне моря составляет 0,32 мЗв в год (3,4 мкР в час). Космическое излучение составляет лишь 1/6 часть годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением. Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей. Так Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы. Кроме того, чем выше от поверхности земли, тем интенсивнее космическое излучение. Так, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз больше, чем те, кто живет на уровне моря. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота проживания людей) до 12000 м (максимальная высота полета пассажирского транспорта) уровень облучения возрастает в 25 раз. А за 7,5 часа полета на обычном турбовинтовом самолете полученная доза облучения составляет примерно 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта население Земли получает в год дозу облучения около 10000 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв в год, а в Северной Америке примерно 10 мкЗв.
Ионизирующее излучение отрицательно воздействует на здоровье человека, оно нарушает жизнедеятельность живых организмов:
· обладая большой проникающей способностью, разрушает наиболее интенсивно делящиеся клетки организма: костного мозга, пищеварительного тракта и т. д.
· вызывает изменения на генном уровне, что приводит в последствии к мутациям и возникновению наследственных заболеваний.
· вызывает интенсивное деление клеток злокачественных новообразований, что приводит к возникновению раковых заболеваний.
· приводит к изменениям в нервной системе и работе сердца.
· угнетается половая функция.
· вызывает нарушение зрения.
Радиация из космоса влияет даже на зрение авиапилотов. Были изучены состояния зрения 445 мужчин в возрасте около 50 лет, из которых 79 были пилотами авиалайнеров. Статистика показала, что для профессиональных пилотов риск развития катаракты ядра хрусталика втрое выше, чем для представителей иных профессий, а тем более для космонавтов.
Космическое излучение является одним из неблагоприятных факторов для организма космонавтов, значимость которого постоянно возрастает по мере увеличения дальности и продолжительности полетов. Когда человек оказывается за пределами атмосферы Земли, где бомбардировка галактическими лучами, а также солнечными космическими лучами намного сильнее: сквозь его тело за секунду может пронестись около 5 тысяч ионов, способных разрушить химические связи в организме и вызвать каскад вторичных частиц. Опасность радиационного воздействия ионизирующего излучения в низких дозах обусловлена увеличением рисков возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Наибольшую опасность межгалактических лучей представляют тяжелые заряженные частицы.
На основании медико-биологических исследований и предполагаемых уровней радиации, существующих в космосе, были определены предельно допустимые дозы радиации для космонавтов. Они составляют 980 бэр для ступней ног, голеностопных суставов и кистей рук, 700 бэр для кожного покрова, 200 бэр для кроветворных органов и 200 бэр для глаз. Результаты экспериментов показали, что в условиях невесомости влияние радиации усиливается. Если эти данные подтвердятся, то опасность космической радиации для человека, вероятно, окажется большей, чем предполагалось первоначально.
Космические лучи способны оказывать влияние на погоду и климат Земли. Британские метеорологи доказали, что в периоды наибольшей активности космических лучей наблюдается пасмурная погода. Дело в том, что когда космические частицы врываются в атмосферу, они порождают широкие «ливни» заряженных и нейтральных частиц, которые могут провоцировать рост капелек в облаках и увеличение облачности.
По исследованиям Института солнечно-земной физики в настоящее время наблюдается аномальный всплеск солнечной активности, причины которого неизвестны. Солнечная вспышка – это выброс энергии, сравнимый с взрывом нескольких тысяч водородных бомб. При особо сильных вспышках электромагнитное излучение, достигая Земли, изменяет магнитное поле планеты – словно встряхивает его, что сказывается на самочувствии метеочувствительных людей. Таких, по данным Всемирной организации здравоохранения, 15% населения планеты. Также при высокой солнечной активности интенсивнее начинает размножаться микрофлора и увеличивается предрасположенность человека ко многим инфекционным заболеваниям. Так, эпидемии гриппа начинаются за 2,3 года до максимума солнечной активности или спустя 2,3 года – после.
Таким образом, мы видим, что даже небольшая часть космического излучения, которая доходит до нас сквозь атмосферу, может оказать заметное влияние на организм и здоровье человека, на процессы, протекающие в атмосфере. Одна из гипотез зарождения жизни на Земле, говорит о том, что космические частицы играют значительную роль в биологических и химических процессах на нашей планете.
5. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Проблемы, связанные с проникновением
человека в космос, - своего рода пробный
камень зрелости нашей науки.
Академик Н. Сисакян.
Несмотря на то, что излучение Вселенной, возможно, и привело к зарождению жизни и появлению человека, для самого человека в чистом виде оно губительно.
Жизненное пространство человека ограничено совсем незначительными
расстояниями – это Земля и несколько километров над ее поверхностью. А далее – «враждебное» пространство.
Но, поскольку человек не оставляет попыток проникнуть в просторы Вселенной, а все более интенсивно их осваивает, то возникла необходимость создания определенных средств защиты от негативного влияния космоса. Особое значение это имеет для космонавтов.
Вопреки распространенному мнению, от атаки космических лучей нас защищает не магнитное поле Земли, а толстый слой атмосферы, где на каждый см 2 поверхности приходится килограмм воздуха. Поэтому, влетев в атмосферу, космический протон в среднем преодолевает лишь 1/14 ее высоты. Космонавты же лишены такой защитной оболочки.
Как показывают расчеты, свести риск радиационного поражения к нулю во время космического полета нельзя . Но можно его минимизировать. И здесь самое главное – пассивная защита космического корабля, т. е. его стенки.
Чтобы уменьшить риск дозовых нагрузок от солнечных
космических лучей
, их толщина должна быть для легких сплавов не менее 3-4 см. Альтернативой металлам могли бы выступить пластмассы. Например, полиэтилен, тот самый из которого сделаны обычные сумки-пакеты, задерживает на 20% больше космических лучей, чем алюминий. Усиленный полиэтилен в 10 раз прочнее алюминия и при этом легче «крылатого металла».
С защитой от галактических космических лучей , обладающих гигантскими энергиями, все гораздо сложнее. Предлагается несколько способов защиты от них космонавтов. Можно создать вокруг корабля слой защитного вещества подобного земной атмосфере. Например, если использовать воду, которая в любом случае необходима, то потребуется слой толщиной 5 м. При этом масса водного резервуара приблизится к 500 т, что очень много. Можно также использовать этилен – твердое вещество, для которого не нужны резервуары. Но даже тогда необходимая масса составила бы не менее 400 т. Можно использовать жидкий водород. Он блокирует космические лучи в 2,5 раза лучше, чем алюминий. Правда, ёмкости для топлива оказались бы громоздкими и тяжелыми.
Была предложена другая схема защиты человека на орбите , которую можно назвать магнитной схемой . На заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения (сила Лоренца). В зависимости от конфигурации линий поля частица может отклониться почти в любую сторону или выйти на круговую орбиту, где она будет вращаться бесконечно. Для создания такого поля потребуются магниты на основе сверхпроводимости. Такая система будет иметь массу 9 т, она гораздо более легкая, чем защита веществом, но всё равно тяжела.
Приверженцы еще одной идеи предлагают зарядить космический корабль электричеством , если напряжение внешней обшивки составит 2 10 9 В, то корабль сможет отразить все протоны космических лучей с энергиями до 2 ГэВ. Но электрическое поле при этом будет простираться до расстояния в десятки тысяч километров, и космический корабль будет стягивать к себе электроны из этого огромного объема. Они станут врезаться в обшивку с энергией 2 ГэВ и вести себя так же, как космические лучи.
«Одежда» для космических прогулок космонавтов вне пределов космического корабля должна представлять собой целую спасательную систему:
· должна создавать необходимую атмосферу для дыхания и поддержания давления;
· должна обеспечивать отвод тепла, выделяемого телом человека;
· она должна защищать от перегрева, если человек находится на солнечной стороне, и от охлаждения – если в тени; разница между ними составляет более 100 0 С;
· защищать от ослепления солнечной радиацией;
· защищать от метеорного вещества;
· должна позволять свободно перемещаться.
Разработка космического скафандра началась в 1959 году. Существует несколько модификаций скафандров, они постоянно изменяются и усовершенствуются, в основном за счет использования новых, более совершенных материалов.
Космический скафандр - это сложное и дорогостоящее устройство, и это легко понять, если ознакомиться с требованиями, предъявленными, например, к скафандру космонавтов корабля «Аполлон». Этот скафандр должен обеспечивать защиту космонавта от воздействия следующих факторов:
Строение полужесткого скафандра (для космоса)
Первый скафандр для выхода в открытый космос, который использовал А.Леонов, был жестким, неподатливым, весом около 100 кг, но современники его считали настоящим чудом техники и «машиной посложнее автомобиля».
Таким образом, все предложения по защите космонавтов от космических лучей не надежны.
6. ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Если говорить честно, мы хотим не только узнать,
как устроена, но и по возможности достичь цели
утопической и дерзкой на вид – понять, почему
природа является именно такой. В этом состоит
прометеевский элемент научного творчества.
А. Эйнштейн.
Итак, космическое излучение приходит к нам из безграничных просторов Вселенной. А как же образовалась сама Вселенная?
Именно Эйнштейну принадлежит теорема, на основе которой были выдвинуты гипотезы ее возникновения. Существует несколько гипотез образования Вселенной. В современной космологии наиболее популярными являются две: теория Большого Взрыва и инфляционная.
Современные модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей.
Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 году. Он отбросил постулаты Ньютона об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответсвии с этой моделью мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922 году русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат о стационарности и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. В 1927 году бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр на основе астрономических наблюдений ввел понятие начала Вселенной как сверхплотного состояния
и рождения Вселенной как Большого Взрыва. В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что
близко по размерам к радиусу электрона, а ее
плотность составляла 10 96 г/см 3 . От
первоначального состояния Вселенная перешла к расширению в результате большого взрыва . Ученик А. А. Фридмана Г. А. Гамов предположил, что температура вещества после взрыва была велика и падала с расширением Вселенной . Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.
Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 10 12 градусов по Кельвину, плотность 10 14 г/см 3 . В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.
Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10 10 градусов по Кельвину, плотность 10 4 г/см 3 . Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы – энергии Вселенной – приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность – с 10 4 г/см 3 до 1021 г/см 3 . Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.
Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.
Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.
Еще одной гипотезой является инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 -45 с после начала расширения.
В соответствии с этой гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов. Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10 -8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10 -30 с.
Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону . В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 с Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров (10 -33) до невообразимо больших (10 1000000) см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной – 10 28 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.
Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые после аннигиляции дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.
Этап отделения вещества от излучения : оставшееся после аннигиляции вещество, стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон – это остаточное явление от первоначального излучения, возникшего после взрыва в момент начала образования Вселенной. В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур – атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, к возникновению жизни и как венца творения – человека.
Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого Взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с мировоззренческими установками .
Первой стала проблема начала и конца времени существования Вселенной , признание которой противоречило материалистическим утверждениям о вечности, несотворимости и неуничтожимости и т. п. времени и пространства.
В 1965 году американскими физиками-теоретиками Пенроузом и С.Хокингом была доказана теорема, согласно которой в любой модели Вселенной с расширением обязательно должна быть сингулярность – обрыв линий времени в прошлом, что можно понимать как начало времени. Это же верно и для ситуации, когда расширение сменится на сжатие – тогда возникнет обрыв линий времени в будущем – конец времени. Причем точка начала сжатия интерпретируется как конец времени – Великий Сток, куда стекаются не только галактики, но и сами «события» всего прошлого Вселенной.
Вторая проблема связана с творением мира из ничего. У А.А.Фридмана математически момент начала расширения пространства выводится с нулевым объемом и в своей популярной книге «Мир как пространство и время», изданной в 1923 году, он говорит о возможности «сотворения мира из ничего». Попытку разрешить проблему возникновения всего из ничего предприняли в 80-ых годах американский физик А.Гут и советский физик А.Линде. Энергию Вселенной, которая сохраняется, разделили на гравитационную и негравитационную части, имеющие разные знаки. И тогда полная энергия Вселенной будет равна нулю.
Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.
Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. В данном случае эволюция описывается так: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Цели космической эволюции нет.
В рамках концепции креационизма, то есть творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальность более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существование направленного развития от простых систем к более сложным и информационно емким, в ходе которого создавались условия для возникновения жизни и человека. Существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант – постоянной Планка, постоянной гравитации и т. д. Численные значения этих постоянных определяют основные особенности Вселенной, размеры атомов, планет, звезд, плотность вещества и время жизни Вселенной. Отсюда делается вывод, что физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствие с замыслами Творца.
Другая нерешенная проблема – дальнейшая судьба Вселенной. Будет ли она продолжать расширяться бесконечно или этот процесс через некоторое время сменится обратным и начнется стадия сжатия? Выбор между этими сценариями можно сделать при наличии данных о полной массе вещества во Вселенной (или средней ее плотности), которых пока недостаточно.
Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться.
Инфляционная модель предсказывала, что плотность энергии должна быть критической. Однако астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 г, говорили о том, что плотность энергии составляет приблизительно 30% от критической. Но открытия последних десятилетий позволили «найти» недостающую энергию. Было доказано, что вакуум обладает положительной энергией (которую называют темной энергией), и она равномерно распределена в пространстве (что еще раз доказывает, что в вакууме отсутствуют какие либо «невидимые» частицы).
Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем Вселенной значительно больше и они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Но можно сказать однозначно, что наши потомки будут видеть окружающий мир совсем иным, чем мы с вами.
Существуют весьма обоснованные подозрения, что кроме видимых нами объектов во Вселенной существуют еще большее количество скрытых, но тоже обладающих массой, причем эта «темная масса» может в 10 или более раз превышать видимую.
Кратко характеристику Вселенной можно представить в таком виде.
Краткая Биография Вселенной
Возраст: 13,7 миллиардов лет
Размер наблюдаемой части Вселенной:
13,7 миллиардов световых лет, примерно 10 28 см
Средняя плотность вещества: 10 -29 г/см 3
Вес: более 10 50 тонн
Вес в момент рождения:
согласно теории Большого взрыва – бесконечный
согласно инфляционной теории – меньше миллиграмма
Температура Вселенной:
в момент взрыва – 10 27 К
современная – 2,7 К
|
|
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Собирая информацию о космическом излучении и его влиянии на окружающую среду, я убедился, что всё в мире взаимосвязано, всё течет и изменяется, и мы постоянно ощущаем на себе отголоски далекого прошлого, начиная с момента образования Вселенной.
Частицы, дошедшие до нас из других галактик, несут с собой информацию о далеких мирах. Эти «космические пришельцы» способны оказывать заметное влияние на природу и биологические процессы на нашей планете.
В космосе все другое: Земля и небо, закаты и рассветы, температура и давление, скорости и расстояния. Многое в нем нам кажется непостижимым.
Космос пока что нам не друг. Он противостоит человеку как чужая и враждебная сила, и каждый космонавт, отправляясь на орбиту, должен быть готов вступить в борьбу с ней. Это очень нелегко, и человек не всегда выходит победителем. Но чем дороже дается победа, тем она ценнее.
Влияние космического пространства оценить достаточно сложно, с одной стороны оно привело к возникновению жизни и, в конечном счете, создало самого человека, с другой мы вынуждены от него защищаться. В данном случае, очевидно, необходимо найти компромисс, и постараться не разрушить то хрупкое равновесие, которое существует в настоящее время.
Юрий Гагарин, впервые увидев Землю из космоса, воскликнул: « Какая же она маленькая!». Мы должны помнить эти слова и всеми силами беречь свою планету. Ведь даже в космос мы можем попасть только с Земли.
8. БИБЛИОГРАФИЯ.
1. Булдаков Л.А., Калистратова В.С. Радиоактивное излучение и здоровье, 2003.
2. Левитан Е.П. Астрономия. – М.: Просвещение, 1994.
3. Паркер Ю. Как защитить космических путешественников.// В мире науки. - 2006, №6.
4. Пригожин И.Н. Прошлое и будущее Вселенной. – М.: Знание, 1986.
5. Хокинг С. Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр. – СПб: Амфора, 2001.
6. Энциклопедия для детей. Космонавтика. – М.: «Аванта+», 2004.
7. http:// www. rol. ru/ news/ misc/ spacenews/ 00/12/25. htm
8. http:// www. grani. ru/ Society/Sciense/m. 67908. html
Тогда эта серия статей для Вас… Мы расскажем о природных источниках ионизирующего облучения, использовании радиации в медицине и других интересных вещах.
Источники ионизирующего излучения условно разделяют на две группы — природные и искусственные. Природные источники существовали всегда, а искусственные — человеческая цивилизация создала в 19 веке. Это легко объяснить на примере двух крупных ученых, которые связаны с открытием радиации. Антуан Анри Беккерель открыл ионизирующее излучение урана (природный источник), а Вильгельм Конрад Рентген открыл ионизирующее излучение при торможении электронов, которые ускорялись в специально созданном приборе (рентгеновская трубка как искусственный источник). Проанализируем в процентном и цифровом эквиваленте, какие дозы облучения (количественная характеристика воздействия ионизирующего излучения на организм человека) рядовой гражданин Украины получает в течение года от различных искусственных и природных источников (рис.1).
Рис. 1. Структура и средневзвешенные величины эффективной дозы облучения населения Украины в год
Как видим, основную часть облучения мы получаем от природных источников радиации. Но остались ли эти природные источники такими же, какими были на ранних этапах цивилизации? Если так — можно не беспокоиться, ведь мы давно приспособились к такому облучению. Но, к сожалению, это не так. Деятельность человека приводит к тому, что природные радиоактивные источники концентрируют и увеличивают возможность их влияния на человека.
Одним из таких мест, где увеличивается возможность влияния радиации на человека, является космическое пространство. Интенсивность радиационного облучения зависит от высоты над уровнем моря. Таким образом, космонавты, пилоты и пассажиры воздушного транспорта, а также население, проживающее в горах, получают дополнительную дозу облучения. Попробуем узнать, насколько это опасно для человека, и какие «радиационные» секреты скрывает космос.
Радиация в космосе: какая опасность для космонавтов?
Все началось с того, что американский физик и астрофизик Джеймс Альфред Ван Аллен решил закрепить на первом спутнике, который был запущен на орбиту, счетчик Гейгера-Мюллера. Показатели этого прибора официально подтвердили существование вокруг земного шара пояса интенсивной радиации. Но откуда она появилась в космосе? Известно, что радиоактивность в космосе существует очень давно, даже еще до возникновения Земли, таким образом, космическое пространство постоянно наполнялось и наполняется радиацией. После проведенных исследований ученые пришли к выводу, что радиация в космосе возникает или от солнца, во время вспышек, или от космических лучей, которые возникают в результате высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.
Было установлено, что радиационные пояса начинаются с 800 км над поверхностью Земли и простираются до отметки 24000 км. По классификации Международной федерации аэронавтики полет считается космическим, если его высота превышает 100 км. Соответственно, наиболее уязвимыми в плане получения большой дозы космического облучения являются космонавты. Чем выше они поднимаются в открытый космос, тем ближе они к радиационным поясам, следовательно, тем больше риск получения значительного количества радиации.
Научный руководитель программы Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) по исследованию влияния радиации на человека, Фрэнсис Кучинотта как-то заметил, что наиболее неприятным последствием от космического облучения при длительных полетах космонавтов является развитие катаракты, то есть помутнение хрусталика глаза. Более того, существует опасность заболевания раком. Но Кучинотта также отметил, что после полета не наблюдается каких-то чрезвычайно страшных последствий у космонавтов. Он лишь подчеркнул, что многое еще неизвестно о том, как влияет космическая радиация на космонавтов и какие реальные последствия этого воздействия.
Вопрос защиты космонавтов от радиации в космосе всегда было в числе приоритетных. Еще в 60 — х годах прошлого века ученые разводили руками и не знали, как защитить космонавтов от космической радиации, особенно при необходимости выхода в открытый космос. В 1966 году советский космонавт все-таки решился выйти в открытый космос, но в очень тяжелом свинцовом костюме. Впоследствии технический прогресс сдвинул решения проблемы с мертвой точки, и были созданы более легкие и безопасные костюмы.
Освоение космических пространств всегда влекло ученых, исследователей и космонавтов. Секреты новых планет могут пригодиться для дальнейшего развития человечества на планете Земля, но также могут быть и опасными. Именно поэтому полет Curiosity на Марс имел большое значение. Но не будем отходить от основного фокуса статьи и сосредоточимся на результатах радиационного облучения, зафиксированного соответствующим прибором на борту марсохода. Этот прибор находился внутри космического корабля, поэтому его показатели свидетельствуют о реальной дозе, которую может получить космонавт уже в пилотируемом корабле. Ученые, которые обрабатывали результаты измерений, сообщили неутешительные данные: эквивалентная доза облучения была в 4 раза больше, от той, что предельно допустимая для работников атомных станций. В Украине предел дозы облучения для тех, кто постоянно или временно работает непосредственно с источниками ионизирующих излучений 20 мЗв.
Для изучения самых отдаленных уголков космоса нужно проводить миссии, которые не могут технически осуществляться с использованием традиционных источников энергии. Этот вопрос был решен путем использования ядерных источников энергии, а именно — изотопных батарей и реакторов. Эти источники являются уникальными в своем роде, поскольку имеют высокий энергетический потенциал, что значительно расширяет возможности миссий в космическом пространстве. Например, стали возможными полеты зондов к внешним границам Солнечной системы. Поскольку продолжительность таких полетов достаточно велика, панели солнечных батарей не пригодны в качестве источника энергопитания для космических аппаратов.
Обратной стороной медали являются потенциальные риски, связанные с использованием радиоактивных источников в космосе. В основном — это опасность непредвиденных или аварийных обстоятельствах. Именно поэтому государства, запускающие космические объекты с ядерными источниками энергии на борту, прилагают максимальные усилия для защиты отдельных лиц, населения и биосферы от радиологических опасностей. Такие условия были определены в принципах, касающихся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве, и были приняты в 1992 году резолюцией Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций (ООН). В этих же принципах также определено, что любое государство, которое запускает космический объект с ядерными источниками энергии на борту, должно своевременно информировать заинтересованные страны, если на космическом объекте появляется неисправность и возникает опасность возвращения радиоактивных материалов на Землю.
Также Организация Объединенных Наций совместно с Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) разработали рамки обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве. Они призваны дополнить нормы МАГАТЭ по безопасности руководством высокого уровня, учитывающим дополнительные меры обеспечения безопасности при использовании ядерных источников энергии на космических объектах в течение всех этапов миссий: запуска, эксплуатации и вывода из эксплуатации.
Нужно ли бояться радиации при использовании воздушного транспорта?
Космические лучи, несущие радиацию, попадают практически во все уголки нашей планеты, однако распространения радиации проходит не пропорционально. Магнитное поле Земли отклоняет значительное количество заряженных частиц от экваториальной зоны, тем самым сосредоточивает больше радиации на Северном и Южном полюсах. Более того, как уже отмечалось, космическое облучение зависит от высоты. Те, кто проживают на уровне моря, получают от космической радиации в год примерно 0,003 мЗв, а те, кто проживают на уровне 2 км, могут получить в два раза больше радиации.
Как известно, при крейсерской скорости для пассажирских авиалайнеров в 900 км/ч, с учетом соотношения сопротивления воздуха и подъемной силы, оптимальная высота при перелете для самолета обычно составляет примерно 9-10 км. Так что при подъеме авиалайнера до такой высоты уровень облучения может вырасти практически в 25 раз от того, каким он был на отметке в 2 км.
Пассажиры, совершающие трансатлантические полеты подвергаются наибольшему облучению за один рейс. При перелете из США в Европу человек может получить дополнительных 0,05 мЗв. Дело в том, что земная атмосфера имеет соответствующую экранирующую защиту от космического облучения, но при поднятии авиалайнера на вышеуказанную оптимальную высоту эта защита частично исчезает, что приводит к получению дополнительного облучения. Именно поэтому частые перелеты через океан повышают риск получения организмом повышенной дозы радиации. Например, 4 подобных перелета может стоить человеку получения дозы в 0,4 мЗв.
Если говорить о пилотах, то здесь ситуация складывается несколько по-другому. Поскольку они достаточно часто совершают перелеты через Атлантику, доза облучения пилотов авиалайнеров может превышать 5 мЗв в год. По меркам Украины при получении такой дозы лица уже приравниваются к другой категории — людей, которые непосредственно не заняты работой с источниками ионизирующего излучения, но в связи с расположением рабочих мест в помещениях и на промышленных площадках объектов с радиационно-ядерными технологиями могут получать дополнительное облучение. Для таких лиц установлен лимит дозы облучения 2 мЗв в год.
Международное агентство по атомной энергии проявляет значительный интерес к этому вопросу. МАГАТЭ разработало ряд норм по безопасности, и проблема облучения экипажей воздушных судов также нашла свое отражение в одном из таких документов. Согласно рекомендациям Агентства, ответственным за установление референтного уровня дозы облучения экипажей воздушных судов является национальный регулирующий орган или другой соответствующий и компетентный орган. В случае превышения этой дозы, работодатели экипажа воздушного судна должны провести соответствующие мероприятия по оценке доз и их регистрацию. Более того, они должны проинформировать женщин — членов экипажей воздушных судов — о связанном с воздействием космического излучения риске для эмбриона или плода и о необходимости раннего оповещения о беременности.
Можно ли рассматривать космос как место для захоронения радиоактивных отходов?
Мы уже убедились, что космическое облучение, хотя и не несет катастрофических последствий для человечества, но повысить уровень облучения человека может. Оценивая влияние космических лучей на человека, многие ученые также изучают возможность использования космического пространства для нужд человечества. В контексте этой статьи очень неоднозначно и интересно выглядит идея захоронения радиоактивных отходов в космосе.
Дело в том, что ученые стран, где активно используют атомную энергетику, находятся в постоянном поиске мест безопасной локализации радиоактивных отходов, которые постоянно накапливаются. Космическое пространство тоже рассматривалось некоторыми учеными как одно из потенциальных мест размещения опасных отходов. Например, специалисты Государственного конструкторского бюро «Южное», которое расположено в Днепропетровске, совместно с Международной академией астронавтики изучают технические составляющие реализации идеи захоронения отходов в далеком космосе.
С одной стороны, отправка подобных отходов в космос очень удобна, так как может осуществляться в любое время и в неограниченном количестве, что снимает вопрос о будущем этих отходов в нашей экосистеме. Более того, как отмечают специалисты, такие полеты не требуют большой точности. Но с другой стороны, данный метод имеет и слабые стороны. Основной проблемой является обеспечение безопасности для биосферы Земли на всех этапах запуска ракетоносителя. Вероятность аварии при запуске достаточно высока, и оценивается практически в 2-3 %. Пожар или взрыв ракетоносителя на старте, в полете или его падение может стать причиной значительного рассеивания опасных радиоактивных отходов. Именно поэтому, при изучении этого метода основное внимание должно быть приковано именно к вопросу безопасности при любых аварийных ситуациях.
Ольга Макаровская, заместитель Председателя Госатомрегулирования Украины; Дмитрий Чумак, ведущий инженер сектора информационного обеспечения Информационно-технического отдела ГНТЦ ЯРБ, 10/03/2014
https://сайт/wp-content/uploads/2015/09/diagram11.jpg 450 640 admin //сайт/wp-content/uploads/2017/08/Logo_Uatom.png admin 2015-09-29 09:58:38 2017-11-06 10:52:43 Радиация и космос: что нужно знать? («Радиационные» секреты, которые скрывает космическое пространство)