XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Естественными радиоактивными веществами принято считать вещества, которые образовались и воздействуют на человека без его участия. Земная кора, вода, воздух всегда содержат радиоактивные элементы. Человек, как обитатель этой среды, также немного радиоактивен, так как основную часть облучения он получает от естественных источников радиации. Избежать облучения от естественных источников радиации совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли, излучения из космоса, облучают земную цивилизацию, которая адекватно адаптировалась к ней.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи - внешнее облучение. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним [1].

Под радиационным фоном понимают ионизирующее излучение от природных источников космического и земного происхождения, от искусственных радионуклидов, рассеянных в биосфере в результате деятельности человека. Радиационный фон, от космических лучей, ответственен за половину всего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц высокой энергии, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства. Оно состоит в основном из протонов (90%) и a-частиц (около 10%). В меньших количествах (около 1%) присутствуют нейтроны, фотоны, электроны и ядра легких элементов: лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики при звездных взрывах и образовании сверхновых звезд. Это так называемое галактическое космическое излучение. Кроме того при солнечных вспышках возникает солнечное космическое излучение[3]. Солнечное излучение состоит из 99% протонов (протонное излучение), из 1 % из ядер атомов гелия (альфа излучение). Все это продукты термоядерного синтеза проходящего в недрах Солнца.

Вторичное космическое излучение имеет сложный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, фотонов и др.). Оно образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами нуклидов, входящих в состав воздуха. При этом возникает вторичное излучение и образуются новые радиоактивные ядра. Наиболее существенны электронно-фотонные и электронно-ядерные процессы взаимодействия.

При электронно-фотонном процессе заряженные частицы, взаимодействуя с полем ядра атома, порождают фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы вызывают возникновение новых фотонов. Каскадный процесс лавинообразного нарастания числа частиц и фотонов продолжается до тех пор, пока энергия их не становится достаточно малой и не теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.

Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных космических частиц, энергия которых не менее 3х10⁹ эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом возникает ряд новых частиц – протоны и нейтроны (осколки ядра) и π-мезоны трех типов: отрицательно заряженные, положительно и не имеющие заряда. Заряженные π-мезоны распадаются (среднее время жизни 2,5х10^-8 сек) в более устойчивые μ-мезоны и нейтрино [4].

Первичное излучение составляет 0,005%, вторичное – 99,995%. Средняя эффективная эквивалентная доза от космического излучения составляет 0,35-0,5 мЗв/год или 0,28 мгрей/год[2].

Максимальная интенсивность вторичного космического излучения наблюдается на высоте 20-25 км. С уменьшением высоты его интенсивность падает и достигает минимума на уровне моря. Наибольшему облучению от космического излучения подвергаются экипажи и пассажиры самолетов (до 40 мкЗв/час), хотя само облучение кратковременно.

Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год; для людей же, живущих выше 2000 м над уровнем моря, это величина в несколько раз больше. При подъеме с высоты 4000 м до 12000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз и продолжает расти при дальнейшем увеличении высоты до 20000 м и выше [5].

На расстоянии от одного до восьми земных радиусов космические частицы отклоняются магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли создаёт мощную защиту для человека от космической радиации, хотя и не абсолютную. Часть высокоэнергетических частиц прорывается через магнитное поле и достигает верхних слоев атмосферы. Немногие из них проникают через всю атмосферу и достигают поверхности Земли. Большинство же, сталкиваясь с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействуют с ядрами этих атомов, разбивая их, рождая множество новых частиц протонов, нейтронов, мезонов, мезонов, образующих вторичное космическое излучение.

Защититься от этого невидимого "космического душа" невозможно. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше космической радиации, чем экваториальные области, так как влияние магнитного поля Земли здесь меньше. Уровень облучения существенно растет с высотой, так как уменьшается слой воздуха, играющего защитную роль Космические лучи, проходя сквозь атмосферу, вызывают появление космогенных радионуклидов, которых сегодня насчитывается около 20. К наиболее значимым из них, которые вносят определенный вклад в облучение человека, можно отнести углерод-14, тритий, бериллий-7, серу-32, натрий-22,24. Среди них особо опасными являются тритий (период полураспада 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада - 5730 лет). Данные радионуклиды попадают в воду, растения, организм животных и человека и могут представлять опасность как источник внутреннего облучения [2].

Заряженные частицы в магнитном поле движутся по-разному в зависимости от соотношения плотностей магнитной кинетической энергии. Примерно на расстоянии 10-ти земных радиусов поток заряженных частиц встречает сильное магнитное поле и под действием силы Лоренца изменяется направление их движения. Движение потока заряженных частиц можно представить, как колебательное движение, но спиральной траектории вдоль силовых линий магнитного поля из Северного в Южное полушарие и обратно.

Одно колебание вдоль силовой линии из Северного в Южное полушарие протон с энергией 100 МэВ совершает приблизительно за 3 секунды, а время его нахождения в магнитном поле составляет около 100 лет. При этом совершается до 1010 колебаний. В зависимости от энергии и заряда, частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток, двигаясь в западном и восточном направлениях [1].

Радиационные пояса Земли можно подразделить на внутренний и внешний. Во внутреннем радиационном поясе находятся протоны высоких энергий и электроны. На нижней границе внутреннего пояса на расстоянии 200-300 км от поверхности Земли заряженные частицы испытывают столкновения с атомами и молекулами атмосферы и меняют свою энергию, поглощаясь атмосферой. Во внешнем радиационном поясе находятся электроны с энергией до 100 КэВ и временем «жизни» 105 -107 с.

Пояс протонов малых энергий (до 10 МэВ) находится между внутренним и внешним поясами Земли. Зона квазизахвата расположена за внешним поясом и имеет сложную конфигурацию, зависимую от плотности потока космических лучей солнечного ветра. В годы активного солнца плотность потока энергии солнечного ветра усиливается, граница радиационных поясов отодвигается дальше и становится большим препятствием для космических лучей [4].

В результате этого, с временной задержкой около года происходит возрастание интенсивности космических лучей на Земле. Время задержки определяется расстоянием, которое проходит солнечный ветер до границ магнитосферы. Радиационные пояса Земли представляют серьезную опасность для экипажей космических кораблей при длительных полетах в околоземном пространстве, если их орбита проходит через область радиационных поясов. Длительное пребывание космических кораблей в радиационном поясе приводит к переоблучению экипажей, выходу из строя оптических приборов и солнечных батарей, находящихся на корабле. В связи с этим проводятся интенсивные исследования при помощи спутников, специальных зондов по определению координат радиационных поясов Земли, а также рассчитываются орбиты космических кораблей для снижения действия радиационного фактора [5].

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 [4].

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 [5].

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 (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 [3].

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.

Список литературы

Булдаков Л.А., Калистратова В.С. Радиоактивное излучение и здоровье, 2013.

СанПиН 2.6.1.2523-09 "Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009"

Ковчур С.Г., Щигельский О.А., Потоцкий В.Н. Радиационная безопасность. Витебск, 2016.

Кириллов В.Ф., Черкасов Е.Ф. Радиационная гигиена; Медицина - Москва, 2012. - 246 c.

Кононова Г.А. Радиационная Экология; Кучково поле, Издательство Буковского - Москва, 2012. - 228 c.

Код для цитирования: Скопировать