16. Радиационные бури в космосе

    Присутствие радиации в космосе создает немало проблем не только конструкторам космических аппаратов, но и космонавтам, летающих на орбитальных станциях и космических кораблях.
    Еще на заре космических полетов создатели спутников столкнулись с проблемой живучести солнечных батарей. Оказалось, что под действием интенсивных потоков частиц радиационных поясов они довольно быстро деградировали: их электрический ток, необходимый для питания бортовых систем, уменьшался. Пришлось их защищать от радиации - предохранять слой кремния стеклом, поглощающим большую долю радиации. Так начиналась эра 'борьбы' с космической радиацией. Впоследствии ученые, изучая ее, узнали довольно много нового и, пожалуй, даже неожиданного:

6.1. Радиация на ближних подступах к Земле

    Перед первым полетом в космос человека, вопросы радиационной безопасности тщательно изучались. В космосе были проведены эксперименты по определению доз радиации на предполагаемых орбитах. Оказалось, что на орбитах 300-400 км (именно на таких орбитах летают пилотируемые космические корабли) потоки радиации сравнительно невелики. Так, по данным приборов, установленных внутри орбитальной станции 'Мир', дозы радиации изменялись в довольно широких пределах: от 100 и до 800 мкГрей (10^-6Гр) в сутки, что является допустимой величиной для человека, но все же это больше, чем получает персонал атомных станций в нормальных условиях.
    Эта величина создается, в основном, за счет частиц радиационных поясов, причем лишь в одном месте: в районе Южной Атлантики. Именно здесь радиационные пояса 'провисают' над Землей из-за существования глубоко под Землей магнитной аномалии. Космические корабли, летающие над Землей, как бы 'чиркают' пояса радиации в течение очень непродолжительного времени (рис. 16.1) на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.

Рис. 16.1. Пространственные распределения радиации в районе Южно-Атлантической магнитной аномалии. Дозы радиации увеличиваются в минимуме цикла солнечной активности. На рисунке приводится набор витков орбиты Международной космической станции, которые, как это видно, лишь в течение короткого промежутка времени пересекают эту радиационно-опасную область

    Однако впоследствии оказалось, что район радиационной аномалии 'дышит'. Периодичность дыхания аномалии - изменение потоков частиц - соответствуют циклу солнечной активности: в минимуме активности потоки увеличиваются, а в максимуме, наоборот, уменьшаются. Казалось бы, парадокс? В годы, когда наше светило с особой щедростью извергает в пространство мощные потоки солнечной плазмы и частиц, радиационная аномалия: затихает. Это - так. И происходит это за счет поглощения частиц поясов атмосферой, которая нагревается и охлаждается в соответствии с активностью Солнца. В годы максимума она разогревается, плотность ее частиц на орбите пилотируемых кораблей увеличивается. В эти периоды времени частицы радиационных поясов начинают все чаще и чаще сталкиваться с молекулами, атомами атмосферы и терять свою энергию. Они прекращают свою жизнь как энергичные частицы радиационных поясов. В годы минимума наблюдается обратная картина: потоки и дозы радиации значительно увеличиваются.
    Однако магнитная аномалия в районе Южной Атлантики - не единственная радиационная 'напасть' для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы (вспомнили? - вплоть до ГэВ'ов), могут создать большие сложности для полетов космонавтов. Какая доза радиации может быть получена космонавтом в случае прихода солнечных частиц к Земле - во многом воля случая. Эта величина определяется, в основном, двумя факторами: степенью искажения дипольного магнитного поля Земли во время магнитных бурь и параметрами орбиты космического аппарата в течение солнечного события. Депрессия магнитного поля во время бурь уменьшает минимальный порог обрезания по жесткости СКЛ, позволяя им проникать на низкие широты. С другой стороны, влияние географического положения космического аппарата относительно начала возрастания солнечных частиц - действительно немаловажный фактор. Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.
    Выше рассказано о возможной опасности, которую может вызвать космическая радиация. Насколько защищены от радиации космические станции, спутники и сами космонавты? Давайте рассмотрим эту проблему на примере некоторых наиболее сильных проявлений солнечной активности.
    Одно из наиболее мощных протонных извержений - радиационная буря солнечных извержений, вызвавшая радиационную бурю вблизи Земли, произошло совсем недавно - 20 января 2005 г. Аналогичное по мощности солнечное извержение было 16 лет назад, в октябре 1989 г. Множество протонов с энергиями, превышающими сотни МэВ, достигли магнитосферы Земли. Кстати, такие протоны способны преодолеть защиту толщиной, эквивалентной примерно 11 сантиметрам воды. Скафандр космонавта - тоньше. Биологи считают, что если в это время космонавты оказались бы вне Международной космической станции, то, безусловно, воздействие радиации сказалось бы на здоровье космонавтов. Но они находились внутри нее. Защита МКС достаточно велика, чтобы обезопасить экипаж от неблагоприятного воздействия радиации во многих случаях. Так было и во время данного события. Как показали измерения с помощью радиационных дозиметров, 'схваченная' космонавтами доза радиации не превышала той дозы, которую человек получает при обычном рентгеновском обследовании. Космонавты МКС получили 0.01 Гр или ~ 0.01 Зиверт (для биологических объектов целесообразней использовать биологические эквиваленты доз в единицах, учитывающих различие в степени поглощения различных видов излучений в биологических тканях (см. словарь терминов в конце книги)). Правда, столь малые дозы связаны и с тем, что, как об этом написано ранее, станция находилась на 'магнитно-защищенных' витках, что может случаться не всегда.
    В таблице 1 приводятся значения доз радиации, приводящих к возникновению определенных радиационных эффектов.

Таблица 16.1. Таблица радиационных рисков

    Несколько Зивертов - громадная доза. Однако и эта доза, если она получена человеком не мгновенно, а постепенно, может и не привести к неблагоприятному исходу. К тому же, не надо забывать о возможной медицинской помощи в случае радиационного заболевания.
    Поэтому можно заключить, что радиационная среда на высотах орбитальных станций при самых неблагоприятных гелиофизических условиях, вряд-ли может привести к последней черте - дозам в несколько Зв.
    Теперь посмотрим какова радиационная обстановка подальше от нашей планеты.

16.2. Радиационные бури на окраине околоземного пространства

    До сих пор мы рассматривали относительно малые высоты над Землей. Гораздо более опасными с точки зрения радиационного влияния оказываются высоты выше 'пилотируемых' орбит. Здесь космонавты сейчас не летают. Но эта область, вплоть до 7R_З очень сильно 'населена' автоматическими космическими аппаратами. Как они 'выживают'? В основном за счет применения специальной защиты для электроники, использования материалов наименее чувствительных к радиации.
    Однако, проблема радиационной безопасности автоматических аппаратов все же существует. Перед конструкторами стоит задача создания нового поколения околоземных спутников со сроком активного существования до 15 лет. Согласитесь, это - немало, больше, чем солнечный цикл. Такой аппарат должен в полной мере испытать на себе воздействие космических радиационных бурь.

Рис. 16.2. Изменения потоков электронов c энергией >400 кэВ в радиационных поясах в течение 1 года. Оттенки серо-черного цвета демонстрируют изменение потока частиц: чем чернее оттенок, тем больше поток частиц. Видно, что наибольшие потоки частиц наблюдаются во время магнитных бурь. В эти моменты времени они также заполняют зазор между внутренней и внешней зонами радиации на расстояниях ~2.5 RЗ

    Помимо вторжения СКЛ, радиационные бури создают и частицы радиационных поясов Последние испытывают значительные пространственные и временные изменения своих потоков во время магнитных бурь и солнечных возмущений.
    В качестве примера можно привести поведение релятивистских электронов в радиационных поясах. На рис. 16.2 показано 'поведение' электронов во всей области поясов в течение одного года. Согласитесь, амплитуды их вариаций во время магнитных бурь очень значительны как по интенсивности, так и по пространству. Вы можете видеть, что во время бурь потоки частиц 'сползают' ближе к Земле, заполняя ранее пустовавшие области захваченной радиации.
    Обнаружено, что их потоки сильно увеличиваются во время магнитных бурь и в периоды увеличения скорости солнечного ветра. Они создают реальную угрозу спутникам, находящихся в зоне всплесков их потока. Подчас это заканчивается весьма плачевно для спутников. Уже отмечено довольно много случаев, когда выход из строя отдельных систем спутников или даже прекращение их функционирования связан с резким усилением потока релятивистских электронов. Представьте себе мощный поток электронов с энергией в несколько МэВ, способный насквозь пробить оболочку спутника и создать большой поток вторичного тормозного излучения, состоящего из низкоэнергичных гамма-квантов.
    Электроника спутника может не выдержать:
    Один из эффектов воздействия энергичных электронов показан на рис. 16.3. Электронный пучок таких частиц, проникая внутрь неметаллических конструкций (например, пластика) вызывает в нем внутренний электрический пробой. Внутри образуется повреждения - очень красивая фигура Лихтенберга. Можно, представить последствия воздействия такой 'красоты' на бортовую электронику спутника, где довольно много пластиковых деталей. Недаром энергичные электроны назвали киллерами спутников.
    На рис. 16.4 наглядно демонстрируется связь наблюдающихся аномалий функционирования спутника и изменения потока релятивистских электронов. Спутники терпят бедствия, когда в космосе появляются мощные потоки этих частиц.

Рис. 16.3. Радиационный эффект воздействия релятивистских электронов - внутренний электрический пробой в пластике

Рис. 16.4. Изменения потоков релятивистских электронов (>5 МэВ) в радиационных поясах, частота наблюдаемых аномалий в работе спутника и изменения солнечной активности. Аномалии в работе космического аппарата увеличиваются с ростом потоков релятивистских электронов

    Именно потому, что радиация в космосе является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на выполнение полетных заданий - будь то экипаж или сам космический корабль, ей уделяется особое внимание еще на этапе проектирования. Помимо поиска и применения различных радиационно стойких защитных материалов, дублирования и даже 'троирования' электроники, на борту практически всех космических аппаратов устанавливают дозиметрическую аппаратуру, которая позволяет операторам на Земле отслеживать радиационную обстановку в космосе и, если это необходимо, проводить изменения в полетном задании, чтобы минимизировать возможный ущерб. Иногда даже простое выключение энергопитания всего спутника или отдельных его систем позволяет сохранить ему жизнь.
    Радиационные поля вокруг Земли создают не только СКЛ и частицы радиационных поясов. Ведь есть еще и частицы сверхвысоких энергий - космические лучи. Их поток очень мал по сравнению с остальными компонентами космической радиации. Казалось бы, что они не могут представлять собой угрозу космической технике и живым организмам. Однако:

16.3. Вспышки в глазах и в электронных чипах

    Читатель хорошо знает о космической одиссее американских астронавтов на Луну. Земляне в течение нескольких экспедиций путешествовали на Луну на космических аппаратах 'Apollo'. Несколько дней астронавты находились в космическом пространстве, в том числе длительный промежуток времени - вне пределов земной магнитосферы.

Рис. 16.5. Нил Армстронг - первый человек на Луне

    Нил Армстронг (первый астронавт, вступивший на Луну) сообщил на Землю о своих необычных ощущениях во время полета: порой он наблюдал яркие вспышки в глазах. Иногда их частота достигала около сотни в день (рис. 16.5). Ученые стали разбираться в этом явлении и быстро пришли к выводу, что ответственны за это: галактические космические лучи. Именно эти частицы высокой энергии, проникая в глазное яблоко, вызывают черенковское свечение при взаимодействии с веществом, из которого состоит глаз. В результате астронавт и видит яркую вспышку. Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжелые частицы - углерод, кислород, железо. Эти частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей энергии на единицу пройденного пути, чем их более легкие собратья. Именно они и ответственны за генерацию черенковского свечения и возбуждение ретины - чувствительной оболочки глаза. Теперь это явление широко известно. Оно, вероятно, наблюдалось и до Н. Армстронга, только не все космические пилоты об этом сообщали на Землю.
    Сейчас на борту Международной космической станции проводится специальный эксперимент по более глубокому изучению этого явления. Выглядит он так: на голову космонавта одевается шлем, начиненный детекторами для регистрации заряженных частиц. Космонавт должен фиксировать момент прохождения частицы по наблюдаемым им вспышкам, а детекторы делают независимую 'экспертизу' их пролета через глаз и детектор. Световые вспышки в глазах космонавтов и астронавтов - пример того, как орган зрения человека - глаз - может служить детектором космических частиц.
    Однако на этом неприятные последствия присутствия в космосе космических лучей высокой энергии не заканчиваются:
    Где-то лет двадцать назад было замечено, что работа бортовых компьютеров спутников может нарушаться. Эти нарушения могут быть двух типов: компьютер может 'зависнуть', а через некоторое время восстановиться, но иногда и выйти из строя. Опять-таки, изучая это явление, ученые пришли к выводу, что ответственны за него тяжелые частицы ГКЛ. Так же, как и в с случае глазным яблоком, они проникают внутрь чипа и вызывают локальные, микроскопические нарушения в его 'сердце' - чувствительной области полупроводникового материала, из которого он изготовлен. Механизм этого эффекта показан на рис. 16.6. В результате довольно сложных процессов, связанных с нарушением движения носителей электрических токов в материале чипа и происходит сбой в его работе (их называют 'одиночными сбоями'). Это - неприятное явление для бортовой аппаратуры современных спутников, напичканных компьютерными системами, управляющими его работой. Как результат - спутник может потерять ориентацию или не выполнить необходимую команду оператора с Земли. В худшем случае, если нет на борту необходимой дублирующей компьютерной системы, можно спутник и потерять.

Рис. 16.6. Механизм формирования одиночного сбоя в микросхеме: тяжелая заряженная частица космических лучей, проникая внутрь чувствительной области, создает локальные нарушения электропроводности, что приводит к сбою в работе. Другой вариант - заряженная частица, взаимодействуя с конструкционными материалами спутника путем ядерных реакций, создает нейтроны, которые, в свою очередь, взаимодействуя с материалами (например, магниевыми сплавами), могут создать тяжелые заряженные частицы (например, -частицы). Они тоже вызовут сбои в работе микросхем

Рис. 16.7. Доказательство связи между изменением потока ГКЛ и одиночными сбоями в компьютерных системах спутника: модуляция ГКЛ в течение цикла солнечной активности приводит к аналогичным изменениям частоты сбоев

    Обратите внимание на рис. 16.7. На нем изображена частота сбоев, наблюдающаяся на одном из спутников в течение ряда лет. Здесь также нанесена кривая солнечной активности. Налицо высокая корреляция обоих явлений. В годы минимума солнечной активности, когда поток ГКЛ максимален (вспомните явление модуляции), частота сбоев нарастает, и она падает в максимуме, когда поток ГКЛ минимален. Невозможно бороться с этим неприятным явлением. Никакая защита не спасает спутник от этих частиц. Уж слишком велика проникающая способность этих частиц с их громадными энергиями.
    Даже наоборот, увеличение толщины обшивки космического корабля приводит к обратному эффекту. Нейтроны, образуясь в результате ядерных реакций ГКЛ с веществом, создают сильный радиационный фон внутри корабля. Эти вторичные нейтроны, взаимодействуя с материалом расположенным вблизи чипа, генерируют, в свою очередь, тяжелые частицы, которые, проникая внутрь чипов, создают сбои.

Рис. 16.8. Так выглядит пространственное распределение одиночных сбоев в микросхемах по измерениям на высоте ~500 км. Большая часть сбоев происходит в районе магнитной аномалии в районе Южной Атлантики. Именно здесь радиационные пояса 'провисают' над Землей

Рис. 16.9 Энергичные солнечные частицы тоже воздействуют на функционирование спутников на орбите

    Здесь необходимо напомнить читателю, что тяжелые заряженные частицы встречаются не только в космических лучах. Они присутствуют и в составе радиационных поясов, особенно много их во внутренней, ближней к Земле, части. Здесь, есть и протоны и более тяжелые частицы. И энергия их может превышать сотни МэВ. Теперь вспомним про Южно-Атлантическую аномалию, которая 'провисает' над Землей. Нетрудно представить, что электроника космического корабля, летающего на высоте километров в 500 должна 'чувствовать' эти частицы. Так оно и есть. Взгляните на рис 16.8: вы можете на нем увидеть, что наибольшая частота сбоев наблюдается как раз в районе аномалии.
    Аналогичное явление происходит и при мощных солнечных вспышках. Протоны и тяжелые ядра в составе СКЛ могут вызвать в чипах такие же одиночные сбои. И они действительно наблюдаются. Один из таких примеров показан на рис.16.9: во время мощной солнечной бури 14 июля 2000г. (ввиду того, что она произошла 14 июля в день взятия Бастилии, ей присвоили имя 'День Бастилии') на магнитосферу Земли 'обрушились' интенсивные потоки солнечных протонов, вызвавших сбои в работе спутников. Единственное спасение от ГКЛ - киллеров чипов - это технические средства, связанные с дублированием особо важных электронных элементов бортовой аппаратуры.
    Не только инженеры, создатели бортовой электронной аппаратуры, обеспокоены присутствием в космосе высокоэнергичных космических лучей. Биологи также изучают механизмы воздействия этих частиц. Вкратце они выглядят следующим образом.
    Вода, основное вещество биологических тканей, под действием радиации ионизируются, образуются свободные радикалы, которые могут разрушить молекулярные связи ДНК. Не исключен и сценарий прямого повреждения молекулы ДНК при торможении тяжелой заряженной частицы (рис. 16.10).

Рис. 16.10. Взаимодействие тяжелых частиц ГКЛ c молекулой ДНК в пределах ее линейных размеров ~ 20 ангстрем может приводить к нарушениям в ее структуре двумя путями: либо через образование свободных радикалов, либо напрямую - путем повреждения самой молекулы

Рис. 16.11. Альфа-частицы (ядра гелия) и другие тяжелые частицы космических лучей воздействуют на клетки более эффективно, чем электроны - легкие частицы. Тяжелые частицы теряют в веществе гораздо больше энергии на единицу пути, нежели более легкие. Это наглядно демонстрируется на этом рисунке: при одной и той же дозах радиации от электронов и тяжелых частиц, число поврежденных клеток в последнем случае больше

    Результат? Неприятные генетические последствия, в том числе канцерогенные. На рис 16.11 наглядно демонстрируется эффект воздействия тяжелых частиц на биологическую ткань: число поврежденных клеток в случае воздействия частиц, более тяжелых, чем протоны, резко возрастает.
    Безусловно, нельзя считать, что тяжелые элементы в составе космических лучей - единственный агент, способный вызвать рак. Биологи, напротив, полагают, что среди всех прочих факторов внешней среды, способных воздействовать на ДНК, - радиации принадлежит отнюдь не лидирующая роль. Скажем, некоторые химические соединения способны вызвать куда более чувствительные нарушения, чем радиация. Однако в условиях длительного космического полета, вне магнитного поля Земли, человек оказывается наедине, в основном, именно с радиацией. Причем это не совсем обычная, привычная для человека радиация. Это - галактические космические лучи, в составе которых, как мы теперь знаем, есть тяжелые заряженные частицы. Они, действительно, вызывают нарушения ДНК. Это - очевидно. Не вполне очевидны последствия этого взаимодействия. Что значит утверждение о возможных, например, канцерогенных последствиях такого взаимодействия?
    Здесь надо отметить, что на сегодняшний день специалисты по космической медицине и биологии не способны дать исчерпывающий ответ. Есть проблемы, которые надо решать в будущих исследованиях. Например, само по себе нарушение ДНК не обязательно должно привести к раку. Более того, молекулы ДНК, получив сигнал опасности о нарушении своей структуры, стараются включить 'программу ремонта' самостоятельно. И это происходит, порой, небезуспешно. Любая физическая травма, тот же удар молотком по телу, вызывает гораздо больше нарушений на молекулярном уровне, чем радиация. Но клетки восстанавливают ДНК, и организм 'забывает' об этом событии.
    Стабильность ДНК чрезвычайно велика: вероятность мутации не превышает 1 на 10 миллионов вне зависимости от локальных условий. Это - фантастическая надежность биологической структуры, ответственной за воспроизводство жизни. Даже сверхсильные радиационные поля не могут ее нарушить. Есть ряд бактерий, которые не мутируют в огромных по мощности радиационных полях, достигающих многих тысяч Гр. Такую дозовую нагрузку не выдерживает даже кристаллический кремний и многие конструкционные материалы.
    Проблема здесь, как это представляется биологам, состоит в том, что может быть сбой в программе ремонта: например, хромосома в результате может оказаться в совсем ненужном месте в структуре ДНК. Вот эта ситуация становится уже опасной. Однако и здесь возможна многовариантность последовательности событий.
    Во-первых, надо учесть, что процесс мутации - размножении 'неправильных клеток' занимает большой промежуток времени. Биологи полагают, что могут пройти десятилетия между первичным неблагоприятным воздействием и негативной реализацией этого эффекта. Это время необходимо, чтобы сформировать новообразование клеток, подвергнутых мутациям, состоящее из многих миллиардов. Поэтому прогноз развития неблагоприятных последствий - дело очень проблематичное.
    Другая сторона проблемы воздействия радиации на биологические структуры, состоит в том, что недостаточно изучен процесс воздействия малых доз. Не существует прямой связи между величиной дозы - количеством радиации - и радиационными повреждениями. Как полагают биологи, разные типы хромосом, различным образом реагируют на радиацию. Одним из них для проявления эффекта 'требуются' значительные дозы радиации, а другим достаточно и сверхмалых. В чем здесь причина? Ответа на это пока нет. Более того, не вполне ясны последствия воздействия на биологические структуры одновременно двух или нескольких видов радиации: скажем, ГКЛ и СКЛ, или ГКЛ, СКЛ и радиационных поясов. Состав этих видов космического излучения разный, и каждый из них может приводить к своим последствиям. Но не ясен эффект их совместного воздействия. Окончательный ответ на эти вопросы - лишь в результатах будущих экспериментов.

16.4 'Человечество не останется вечно на Земле:.'

    Так писал К. Циолковский. Человек уже побывал на Луне. Недалеко время, когда вновь возобновятся полеты на нашу спутницу, а затем, вероятно, и на Марс.
    При дальних космических полетах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полете на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полет на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная - суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полета на Марс, поглощенная доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Ее можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия - августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв.
    Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удается предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперед период времени.
    Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.
  &