1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Астрономический вестник
  4. T. 57, № 3, 2023

Астрономический вестник, 2023, T. 57, № 3, стр. 199-208

Оценка нейтронной компоненты радиационного фона в кратере Гейл на Марсе

И. Г. Митрофанов a, М. Л. Литвак a, *, А. Б. Санин a, Й. В. Семкова b, Ц. П. Дачев b

a Институт космических исследований РАН
Москва, Россия

b Институт космических исследований и технологий Болгарской академии наук
София, Болгария

* E-mail: litvak@mx.iki.rssi.ru

Поступила в редакцию 28.09.2022
После доработки 05.12.2022
Принята к публикации 18.12.2022

Аннотация

В статье представлены результаты анализа нейтронной компоненты радиационного фона на Марсе в кратере Гейл, где проводит свои исследования марсоход NASA Curiosity. Численные оценки показали, что при максимуме потока галактических космических лучей мощность эффективной дозы по нейтронам меняется вдоль трассы движения марсохода на 20% в диапазоне 92–108 мкЗв/день. Основным фактором такого изменения является переменное содержание подповерхностной воды, которое варьируется от 0.5 до 5% по массовой доле вдоль трассы марсохода. Полученные оценки сопоставимы с измерениями радиационного дозиметра RAD. Сравнение с дозами от заряженных частиц показывает, что вклад нейтронной компоненты на поверхности Марса в суммарную дозу без использования средств радиационной защиты составляет 10%, что необходимо учитывать при планировании пилотируемых миссий к Марсу.

Ключевые слова: Марс, кратер Гейл, Curiosity, DAN, нейтроны, радиационный фон

Список литературы

  1. ГОСТ 25645.215-85 Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в полете. Нормы безопасности при продолжительности полета до трех лет. М.: Гос. комитет СССР по стандартам, 1985. 7 с.

  2. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Козырев А.С., Санин А.Б., Третьяков В.И., Бойнтон У.В., Шинохара К., Хамара Д., Саундерс С., Дрейк Д. Поиск воды в грунте марса по данным глобального картографирования потока нейтронов российским прибором ХЕНД на борту американского аппарата 2001 Mars Odyssey // Астрон. вестн. 2003. Т. 37. № 5. С. 400–412. (Mitrofanov I.G., Litvak M.L., Kozyrev A.S., Sanin A.B., Tret’yakov V.I., Boynton W.V., Shinohara C., Hamara D., Saunders S., Drake D.M. Search for water in Martian soil using global neutron mapping by the Russian HEND instrument onboard the US 2001 Mars Odyssey spacecraft // Sol. Syst. Res. 2003. V. 37. № 5. P. 366–377.) https://doi.org/10.1023/A:1026018811877

  3. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Козырев А.С., Санин А.Б., Третьяков В.И., Гриньков В.Ю., Бойнтон У.В., Шинохара К., Хамара Д., Саундерс Р.С. Оценка содержания воды в грунте Марса по данным нейтронных измерений прибора ХЕНД на борту космического аппарата 2001 Mars Odyssey // Астрон. вестн. 2004. Т. 38. № 4. С. 291–303. (Mitrofanov I.G., Litvak M.L., Kozyrev A.S., Sanin A.B., Tret’yakov V.I., Grin’kov V.Yu., Boynton W.V., Shinohara C., Hamara D., Saunders R.S. Soil water content on Mars as estimated from neutron measurements by the HEND instrument onboard the 2001 Mars Odyssey spacecraft // Sol. Syst. Res. 2004. V. 38. № 4. P. 253–257.)

  4. Boynton W.V, Feldman W.C., Squyres S.W., Prettyman T.H., Brückner J., Evans L.G., Reedy R.C., Starr R., Arnold J.R., Drake D.M., Englert P.A.J., Metzger A.E., Mitrofanov I., Trombka J.I., d’Uston C., Wänke H., Gasnault O., Hamara D.K., Janes D.M., Marcialis R.L., Maurice S., Mikheeva I., Taylor G.J., Tokar R., Shinohara C. Distribution of hydrogen in the near surface of Mars: Evidence for subsurface ice deposits // Science. 2002. V. 297. Iss. 5578. P. 81–85. https://doi.org/10.1126/science.1073722

  5. Boynton W.V., Taylor G.J., Evans L.G., Reedy R.C., Starr R., Janes D.M., Kerry K.E., Drake D.M., Kim K.J., Williams R.M.S., Crombie M.K., Dohm J.M., Baker V., Metzger A.E., Karunatillake S., Keller J.M., Newsom H.E., Arnold J.R., Brückner J., Englert P.A.J., Gasnault O., Sprague A.L., Mitrofanov I., Squyres, S.W., Trombka J.I., d’Uston L., Wänke H., Hamara D.K. Concentration of H, Si, Cl, K, Fe, and Th in the low- and mid-latitude regions of Mars // J. Geophys. Res.: Planets. 2007. V. 112. Iss. E12. id. E12S99.

  6. Drake D., Feldman W.C., Jakosky B.M. Martian neutron leakage spectra // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. Iss. B6. P. 6353–6368.https://doi.org/10.1029/JB093iB06p06353

  7. Cucinotta F.A., Schimmerling W., Blakely E.A., Heid T.K. Proposed change to astronaut exposures limits is a giant leap backwards for radiation protection // Life Sciences in Space Research. 2021. V. 31. P. 59–70. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.07.005

  8. Feldman W.C., Boynton W.V., Tokar R.L., Prettyman T.H., Gasnault O., Squyres S.W., Elphic R.C., Lawrence D.J., Lawson S.L., Maurice S., McKinney G.W., Moore K.R., Reedy R.C. Global distribution of neutrons from Mars: Results from Mars Odyssey // Science. 2002. V. 297. P. 75–78.https://doi.org/10.1126/science.1073541

  9. Forget F., Hourdin F., Fournier R., Hourdin Ch., Talagrand O., Collins M., Lewis S.R., Read P.L., Huot J.-P. Improved general circulation models of the Martian atmosphere from the surface to above 80 km // J. Geophys. Res.: Planets. 1999. V. 104. Iss. E10. P. 24155–24176.https://doi.org/10.1029/1999JE001025

  10. Gellert R., Clark III B.C. MSL and MER Science Teams. In situ compositional measurements of rocks and soils with the alpha particle X-ray spectrometer on NASA’s Mars rovers // Elements. 2015. V. 11. P. 39–44. https://doi.org/10.2113/gselements.11.1.39

  11. Guo J., Zeitlin C., Wimmer-Scheingruber R.F., Hassler D.M., Köhler J., Ehresmann B., Böttcher S., Böhm E., Brinea D.E. Measurements of the neutral particle spectra on Mars by MSL/RAD from 2015-11-15 to 2016-01-15 // Life Sciences in Space Research. 2017. V. 14. P. 12–17.https://doi.org/10.1016/j.lssr.2017.06.001

  12. Guo J., Zeitlin C., Wimmer-Schweingruber R.F., Hassler D.M., Ehresmann B., Rafkin S., Wang Y. Radiation environment for future human exploration on the surface of Mars: The current understanding based on MSL/RAD dose measurements // Astron. and Astrophys. Rev. 2021. V. 29(1). P. 1–81. https://doi.org/10.1007/s00159-021-00136-5

  13. Hassler D.M., Zeitlin C., Wimmer-Schweingruber R.F., Böttcher S., Martin C., Andrews J., Böhm E., Brinza D.E., Bullock M.A., Burmeister S., and 15 co-authors. The radiation assessment detector (RAD) investigation // Space Sci. Rev. 2012. V. 170. P. 503–558. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9913-1

  14. Hassler D.M., Zeitlin C., Wimmer-Schweingruber R.F., Ehresmann B., Rafkin S., Eigenbrode J.L., Brinza D.E., Weigle G., Böttcher S., Böhm E., Burmeister S., Guo J., Köhler J., Martin C., Reitz G., Cucinotta F.A., Kim M.H., Grinspoon D., Bullock M.A., Posner A., Gómez-Elvira J., Vasavada A., Grotzinger J.P., MSL Science Team. Mars’ surface radiation environment measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity rover // Science. 2014. V. 343. Iss. 6169.https://doi.org/10.1126/science.1244797

  15. Keller J.M., Boynton W.V., Karunatillake S, Baker V.R., Dohm J., Evans L.G., Finch M.J., Hahn B.C., Hamara D.K., Janes D.M., Kerry K.E., Newsom H.E., Reedy R.C., Sprague A.L., Squyres S.W., Starr R.D., Taylor G.J., Williams R.M.S. Equatorial and midlatitude distribution of chlorine measured by Mars Odyssey GRS // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2006. V. 111. id. E03S08. https://doi.org/10.1029/2006JE002679

  16. Köhler J., Zeitlin C., Ehresmann B., Wimmer-Schweingruber R.F., Hassler D.M., Reitz G., Brinza D.E., Weigle G., Appel J., Böttcher S. Measurements of the neutron spectrum on the Martian surface with MSL/RAD // J. Geophys. Res.: Planets. 2014. V. 119. Iss. 3. P. 594–603. https://doi.org/10.1002/2013JE004539

  17. Litvak M.L., Mitrofanov I.G., Barmakov Y.N., Behar A., Bitulev A., Bobrovnitsky Y., Bogolubov E.P., Boynton W.V., Bragin S.I., Churin S., and 21 co-authors. The Dynamic Albedo of Neutrons (DAN) experiment for NASA’s 2009 Mars Science Laboratory // Astrobiology. 2008. V. 8. № 3. P. 605–612. https://doi.org/10.1089/ast.2007.0157

  18. Litvak M.L., Mitrofanov I.G., Sanin A.B., Lisov D., Behar A., Boynton W.V., Deflores L., Fedosov F., Golovin D., Hardgrove C., and 16 co-authors, MSL Team. Local variations of bulk hydrogen and chlorine-equivalent neutron absorption content measured at the contact between the Sheepbed and Gillespie Lake units in Yellowknife Bay, Gale Crater, using the DAN instrument onboard Curiosity // J. Geophys. Res.: Planets. 2014. V. 119. Iss. 6. P. 1259–1275.https://doi.org/10.1002/2013JE004556

  19. Masarik J., Reedy R.C. Gamma ray production and transport in Mars // J. Geophys. Res.: Planets. 1996. V. 101. Iss. E8. P. 18891–18912. https://doi.org/10.1029/96JE01563

  20. Maurice S., Feldman W., Diez B., Gasnault O., Lawrence D.J., Pathare A., Prettyman T. Mars Odyssey neutron data: 1. Data processing and models of water-equivalent-hydrogen distribution // J. Geophys. Res.: Planets. 2011. V. 116. Iss. E11. id. E11008.

  21. Mellon M.T., Arvidson R.E., Sizemore H.G., Searls M.L., Blaney D.L., Cull S., Hecht M.H., Heet T.L., Keller H.U., Lemmon M.T., Markiewicz W.J., Ming D.W., Morris R.V., Pike W.Th., Zent A.P. Ground ice at the Phoenix landing site: Stability state and origin // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2009. V. 114. id. E00E07.

  22. Millour E., Forget, F., Spiga A., Vals M., Zakharov V., Montabone L., Lefevre F., Montmessin F., Chaufray J.-Y., Lopez-Valverde M.A., Gonzalez-Galindo F., Lewis S.R., Read P.L., Desjean M.-C., Cipriani F. The Mars climate database (version 5.3) // Scientific Workshop: “From Mars Express to ExoMars” 27–28 February 2018, ESAC Madrid, Spain.

  23. Mitrofanov I., Anfimov D., Kozyrev A., Litvak M., Sanin A., Tret’yakov V., Krylov A., Shvetsov V., Boynton W., Shinohara C., Hamara D., Saunders R.S. Maps of subsurface hydrogen from the High Energy Neutron Detector, Mars Odyssey // Science. 2002. V. 297. P. 78–81. https://doi.org/10.1126/science.1073616

  24. Mitrofanov I.G., Litvak M.L., Varenikov A.B., Barmakov Y.N., Behar A., Bobrovnitsky Y.I., Bogolubov E.P., Boynton W.V., Harshman K., Kan E., and 13 co-authors. Dynamic Albedo of Neutrons (DAN) experiment onboard NASA’s Mars Science Laboratory // Space Sci. Rev. 2012. V. 170. P. 559–582. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9924-y

  25. Mitrofanov I.G., Litvak M.L., Sanin A.B., Starr R.D., Lisov D.I., Kuzmin R.O., Behar A., Boynton W.V., Hardgrove C., Harshman K., and 5 co-authors. Water and chlorine content in the Martian soil along the first 1900 m of the Curiosity rover traverse as estimated by the DAN instrument // J. Geophys. Res.: Planets. 2014. V. 119. Iss. 7. P. 1579–1596. https://doi.org/10.1002/2013JE004553

  26. Mitrofanov I.G., Malakhov A., Bakhtin B., Golovin D., Kozyrev A., Litvak M., Mokrousov M., Sanin A., Tretyakov V., Vostrukhin A., and 16 co-authors. Fine Resolution Epithermal Neutron Detector (FREND) onboard the ExoMars Trace Gas Orbiter // Space Sci. Rev. 2018. V. 214. Iss. 5. id. 86 (26 p.)

  27. Mitrofanov I.G., Nikiforov S.Y., Djachkova V.V., Lisov D.I., Litvak M.L., Sanin A.B., Vasavada A.R. Water and chlorine in the Martian subsurface along the traverse of NASA’s Curiosity rover, Part I: DAN measurement profiles along the traverse // J. Geophys. Res.: Planets. 2022. V. 127. id. e2022JE007327. https://doi.org/10.1029/2022JE007327

  28. Nikiforov S.Y., Mitrofanov I.G., Litvak M.L., Lisov D.I., Djachkova M.V., Jun I., Tate C., Sanin A.B. Assessment of water content in Martian subsurface along the traverse of the Curiosity rover based on passive measurements of the DAN instrument // Icarus. 2020. V. 346. id. 113818.

  29. Petoussi-Henss N., Bolch W., Eckerman K., Endo A., Hertel N., Hunt J., Pelliccioni M., Schlattl H., Zankl M. Conversion coefficients for radiological protection quantities for external radiation exposures // Annals of the ICRP. 2010. V. 40. Iss. 2–5. P. 1–257.https://doi.org/10.1016/j.icrp.2011.10.001

  30. Semkova J., Koleva R., Benghin V., Dachev Ys., Matviichuk Y., Tomov B., Krastev K., Maltchev S., Dimitrov P., Mitrofanov I., and 14 co-authors. Charged particle radiation measurements with Liulin-MO dosimeter of FREND instrument aboard ExoMars Trace Gas Orbiter during the transit and high elliptic Mars orbit // Icarus. 2018. V. 303. P. 53–66.https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.12.034

  31. Semkova J., Koleva R., Benghin V., Dachev Ys., Matviichuk Y., Tomov B., Krastev K., Maltchev S., Dimitrov P., Bankov N., 10 co-authors. Results from radiation environment measurements aboard ExoMars Trace Gas Orbiter in Mars science orbit in May 2018–December 2019 // Icarus. 2021. V. 361. id. 114264.

  32. Semkova J., Benghin V., Guo J., Zhang J., Da Pieve F., Krastev K., Matviichuk Y., Tomov B., Shurshakov V., Drobyshev S., Mitrofanov I., Golovin D., Litvak M. Comparison of the flux measured by Liulin-MO dosimeter in ExoMars TGO science orbit with the calculations // Life Sciences in Space Research. 2022. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2022.08.007

  33. Usoskin I.G., Gil A., Kovaltsov G., Mishev A., Mikhailov V. Heliospheric modulation of cosmic rays during the neutron monitor era: Calibration using PAMELA data for 2006–2010 // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2017. V. 122. P. 3875–3887. https://doi.org/10.1002/2016JA023819

  34. Zeitlin C., Hassler D.M., Cucinotta F.A., Ehresmann B., Wimmer-Schweingruber R.F., Brinza D.E., Kang S., Weigle G., Böttcher S., Böhm E., Burmeister S., Guo J., Köhler J., Martin C., Posner A., Rafkin S., Reitz G. Measurements of energetic particle radiation in transit to Mars on the Mars Science Laboratory // Science. 2013. V. 340. Iss. 6136. P. 1080–1084. https://doi.org/10.1126/science.1235989

  35. Zhang J., Guo J., Dobynde M.I., Wang Y., Wimmer-Schweingruber R.F. From the top of Martian Olympus to deep craters and beneath: Mars radiation environment under different atmospheric and regolith depths // J. Geophys. Res.: Planets. 2022. V. 127.10.1029/2021JE007157

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Астрономический вестник

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал