Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1642-1645

ВВЕДЕНИЕ

Воздействие космической радиации или космических лучей (КЛ) на бортовые системы и живые организмы – один из значительных факторов риска для космических и авиационных полетов. КЛ представляют собой потоки, в основном, высокоэнергичных заряженных частиц – ядер различных элементов. Галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (СКЛ) являются двумя основными компонентами КЛ в околоземном межпланетном пространстве. Интенсивность ГКЛ и частота событий СКЛ зависит от уровня солнечной активности. СКЛ наиболее вероятны во время максимума солнечной активности, когда интенсивность ГКЛ минимальна. Во время минимума солнечной активности ситуация обратна.

Частицы КЛ проникают в атмосферу Земли, создавая каскады вторичных частиц и ионизируя атмосферу. Ионизация атмосферы частицами ГКЛ максимальна на 20 км – так называемый максимум Регенера–Пфотцера. Потоки первичных и индуцированных частиц также значительны на высотах 10–12 км, где проходят трассы большинства гражданских авиарейсов. Частицы КЛ испытывают влияние магнитного поля Земли, поэтому интенсивность и спектры потоков частиц космической радиации зависят от географических координат. Наиболее защищенной является область вблизи экватора над азиатским регионом. Наиболее интенсивны потоки КЛ вблизи полюсов в районе магнитосферного каспа, где практически все частицы КЛ могут проникать в атмосферу Земли.

Радиационные риски, связанные с КЛ, обусловлены ионизацией, которую КЛ создают в бортовых системах управления или внутри биологических тканей, нарушают их нормальное функционирование. В России радиационные риски учитываются в регламенте профессиональной активности космонавтов [1], но не учитываются для экипажей воздушных судов. В то же время, Европейском Союзе [2], пилоты, получающие дозу в 6 мЗв и более, относятся к категории А, а в США Федеральной авиационной администрацией облучение экипажей ограничивается дозой 100 мЗв за 5 лет и не более 50 мЗв в течение года. Контроль за уровнем облучения осуществляется как с помощью измерений на борту, так и с помощью информационно-аналитических систем, которые основаны на моделях проникновения КЛ в атмосферу Земли. Широко используются системы NAIRAS [3], CARI [4], PANDOCA [5].

В данной работе мы используем методы математического моделирования для описания распространения частиц КЛ в атмосфере Земли. Получены вертикальные профили распределения мощности радиационных доз для различных географических координат и толщин защиты летательных аппаратов. Мы так же демонстрируем вклад различных частиц в общую дозу. Полученные результаты могут использоваться как для оценки радиационных нагрузок при авиационных перелетах, так и для анализа различных экспериментальных данных, например полученных в экспериментах со стратосферными зондами.

МЕТОДОЛОГИЯ

В данной работе мы моделируем распространение частиц ГКЛ и СКЛ в атмосфере Земли и вычисляем значения среднетканевого дозового эквивалента [6] на различных высотах, в различных географических координатах для различных толщин защиты. Согласно [7], величина среднетканевого дозового эквивалента может быть использована как верхняя оценка эффективной дозы, которая используется в нормативных документах.

Для описания спектров КЛ мы используем модель ГКЛ [8] для периода максимума солнечной активности и СКЛ [9]. Компьютерное моделирование проводилось методом Монте-Карло с помощью программного пакета GEANT4 [10] версии 4.10.06.p01. Для оценки дозовых нагрузок решались две задачи. Первая задача – это расчет потоков частиц, создаваемых протонами и альфа-частицами на различных высотах в атмосфере Земли. Вторая задача – расчет среднетканевого дозового эквивалента в сферическом фантоме [7], который находится в центре сферической оболочки из алюминия. Для оценки дозы тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) проводилась экстраполяция данных, полученных для условий межпланетного полета [11].

Для описания атмосферы мы используем модель квазибесконечных плоскопараллельных слоев толщиной 100 м. Плотности внутри каждого слоя вычисляется как средняя интегральная плотность слоя по модели USSA76 [12] на сетке с шагом в 1 м. Использование плоскопараллельной геометрии уменьшает время расчета на 25% [13], по сравнению со сферической. При моделировании мы рассматривали только перпендикулярное падение первичных частиц КЛ на верхнюю границу атмосферы. Для учета углового падения мы использовали величину интегральной толщины атмосферы вдоль направления прихода первичных частиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ГКЛ создают радиационный фон в атмосфере Земли, зависящий от фазы цикла солнечной активности. На больших высотах вблизи верхней границы атмосферы основной вклад в дозу вносят первичные частицы ГКЛ (рис. 1). За толщинами менее 15 г ‧ см^–2 основной вклад в дозу вносят ТЗЧ. Это происходит из-за их большой биологической эффективности, несмотря на то что их доля в ГКЛ составляет порядка 1%. За большими толщинами защиты основной вклад дают протоны и альфа-частицы ГКЛ. С уменьшением высоты доза от первичных частиц уменьшается, а от вторичных частиц, которые возникают в атмосфере, увеличивается. Основной вклад в дозу на низких высотах вносят вторичные нейтроны. Их вклад достигает максимальных значений на высотах порядка 20 км, и затем спадает по мере приближения к поверхности Земли.

Рис. 1.

Зависимости среднетканевого дозового эквивалента ГКЛ D_{d. eq} от высоты h над уровнем моря в районе Мурманска (а, б) и Санкт-Петербурга (в, г) за алюминиевой защитой 0.1 г ⋅ см^–2 (а, в) и 15 г ∙ см^–2 (б, д). Обозначения: 1 – общая доза, 2 – доза от первичных протонов и альфа-частиц, 3 – доза от ТЗЧ, 4 – доза от вторичных нейтронов.

Профили доз СКЛ (рис. 2) формируются аналогично профилям ГКЛ. По мере приближения к поверхности Земли, вклад от первичных протонов уменьшается, а вклад вторичных нейтронов увеличивается, достигая максимума на высоте порядка 20 км. На больших высотах за малой защитой мощность дозы от СКЛ значительно больше мощности дозы от ГКЛ, из-за большей интенсивности потоков частиц. Однако, с уменьшением высоты, доза от СКЛ убывает гораздо быстрее, поскольку энергия значительной часть частиц СКЛ недостаточна для проникновения в нижние слои атмосферы.

Рис. 2.

То же, что и на рис. 1, для СКЛ.

Крайне интересно, что максимум в профиле общей дозы от всех типов частиц может как присутствовать, так и отсутствовать. Его наличие определяется вкладами в дозу от различных типов частиц, главным образом первичных частиц КЛ и вторичных нейтронов, при этом доза зависит от географических координат и толщины защитной оболочки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено моделирование распространения частиц КЛ в атмосфере Земли. Впервые показано влияние толщины алюминиевой защиты на величины дозовых нагрузок в атмосфере. Наличие максимума в профиле дозового эквивалента определяется соотношением дозы нейтронов и дозы от первичных частиц КЛ, которое зависит от жесткости геомагнитного обрезания и толщины алюминиевой защиты. Полученные результаты могут быть использованы для оценки доз радиации при авиаперелетах и стать основой системы радиационного мониторинга.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России (уникальный идентификатор № RFMEFI60419X0237).