Опасна ли космическая радиация на полярной орбите?

Роскосмос вместо МКС хочет построить свою собственную пилотируемую станцию на полярной орбите. Возможно ли это с точки зрения радиационной безопасности?

Практически сразу после решения всех проблем со стыковкой модуля «Наука» к Международной космической станции, в Роскосмосе обсудили будущее отечественной пилотируемой космонавтики. Научно-технический совет принял решение, что стареющий российский сегмент МКС после 2024 года создает дополнительные риски, поэтому надо строить новую станцию РОСС. Сегодня рассматривается два варианта её размещения — в составе МКС, как замена нынешнего российского сегмента, или национальная станция на полярной орбите. Последний вариант вызывает вопрос: не навредят ли космонавтам заряженные частицы которые порождают полярные сияния?

Что такое космическая радиация?

Космической радиацией называют ионизирующее излучение, рожденное за пределами Земли. Это могут быть фотоны высокой энергии (рентген и гамма), электроны, субатомные частицы, протоны (ядра атома водорода) и более тяжелые ядра атомов. Возникает это излучение там, где активно проходят ядерные или термоядерные реакции либо выделяется много энергии, например в недрах звезд, у сверхновых, в аккреционных дисках черных дыр, в ядрах активных галактик, в ударных волнах межзвездного газа… Звезды в этом списке самые слабые и самые спокойные источники радиации, но Солнце гораздо ближе к нам, чем остальные, поэтому часто можно услышать, что оно представляет главную угрозу в космических полётах.

Космическую радиацию разделяют на солнечную и галактическую, в зависимости от того, с какой стороны она прилетела. В отличие от солнечной, галактическая прилетает отовсюду. Иногда космическую радиацию называют космические лучи, но тут надо понимать, что под лучами имеется в виду не свет (фотоны), а вещество — электроны, ядра атомов и продукты их деления, летящие со скоростью в десятки или сотни тысяч километров в секунду, т.е. близко к скорости света. Чем выше скорость частиц, тем выше их энергичность. Есть ещё солнечные заряженные частицы низкой энергии, чья скорость от сотен до двух тысяч километров в секунду, они называются солнечным ветром и радиацией не считаются.

Фотоны могут преодолевать просторы космического вакуума на протяжении миллиардов лет, и лишь гравитационные поля способны влиять на их траекторию. В отличие от фотонов, частицы, имеющие электрический заряд, подвергаются воздействию ещё и магнитных полей. Это могут быть галактические магнитные поля, солнечная или земная магнитосфера. Чем выше энергия частицы, тем меньшее воздействие на неё оказывает магнитное поле, и тем ближе к прямой линии её траектория.

Солнечное магнитное поле отклоняет и рассеивает заряженные частицы прилетающие извне, поэтому до Земли долетают галактические космические лучи только высокой энергии. Они довольно редки, в сравнении с солнечными, но их энергия на порядки выше. Поток солнечных заряженных частицы намного плотнее, но энергия большинства из них намного меньше, поэтому с ними эффективно взаимодействует и земное магнитное поле, и обшивка космических кораблей.

Солнечные заряженные частицы это в основном электроны, протоны и альфа-частицы (ядра атома гелия). Частицы наименьшей энергии не могут преодолеть земного магнитного поля и обтекают нашу планету на расстоянии несколько тысяч километров. Поэтому часто можно встретить утверждения, что мы защищены от космической радиации земным магнитным полем, хотя это верно лишь для космических лучей слабой и средней энергии и солнечного ветра.

Заряженные частицы высокой энергии, например от солнечных протонных событий или галактические лучи, способны «пробивать» земную магнитную защиту и поглощаются нашей атмосферой. В такие моменты на Земле датчики регистрируют увеличение потока вторичной радиации с неба, тут уже могут быть и гамма, и электроны, и нейтроны и продукты деления атомных ядер, но всё это порождается уже в воздухе. Так можно изучать космическую радиацию и с Земли, но это сложно, примерно как по кругам на воде изучать бросаемые в воду камни. Поэтому астрофизики активно запускают в космос датчики заряженных частиц и космические телескопы.

Как только в космос полетели первые дозиметры, оказалось, что распределение заряженных частиц вокруг Земли неоднородно. Так люди узнали о радиационных поясах.

Что такое радиационные пояса?

Как уже говорилось выше, заряженные частицы низкой энергии просто облетают Землю стороной «отталкиваясь» от земного магнитного поля, частицы высокой энергии — поглощаются атмосферой, но есть ещё средняя категория, которая захватывается земной магнитосферой. Тут-то и начинаются проблемы для околоземной космонавтики.

Земное магнитное поле собирает захваченные частицы в два пояса: внешний электронный и внутренний протонный. Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов и протонов средней энергии и распределен на расстоянии в несколько земных радиусов. Часть протонов добирается во внутренний радиационный пояс, на расстоянии примерно радиуса Земли, но главный источник протонов внутреннего радиационного пояса — вторичная радиация выбиваемая галактическими лучами из земной атмосферы. Из-за этого внешний радиационный пояс сильно взаимодействует с солнечным ветром, а внутренний отзывается только на многолетние солнечные циклы.

В 60-е человек смог даже создать искусственные радиационные пояса, когда американцы совершали высотные ядерные испытания.

Радиационная оболочка Земли не случайно зовется поясами, и их плотность напрямую зависит от формы магнитного поля. У экватора магнитные линии примерно параллельны земной поверхности, а на полюсах — уходят в Землю. Эта разница определяет и защитную функцию магнитного поля — чем дальше от экватора, тем проще космическим лучам добираться до плотных слоёв атмосферы. Поэтому низкая околоземная орбита близкая к экватору — самая защищенная от космической радиации, пока проходит ниже протонного радиационного пояса.

В то же время, протонный радиационный пояс — это главная причина почему современные пилотируемые корабли и станции прижимаются к Земле. Радиация там превосходит на порядки те условия, которые есть на высоте 400 км, где летает МКС. Самый высотный полёт за последние почти полвека не превысил 630 км, когда «Шаттл» летал ремонтировать телескоп Hubble. А во время лунных полётов Apollo однократное пересечение поперек внутреннего радиационного пояса давало удвоение суммарной дозы за экспедицию, т.е. за полчаса в радиационном поясе экипаж в корабле и скафандрах облучался, как за неделю в межпланетном пространстве и на поверхности Луны.

Как дела с космической радиацией на МКС?

Наклонение орбиты Международной космической станции 51,6 градус — это довольно далеко от экватора, т. е. идеальной радиационно-защищенной орбиты. Тут сказываются политические и технические причины — только на такое наклонение можно запускать корабли с Байконура, чтобы ракетные ступени не падали в Китай.

Исследования радиации на МКС идут давно, и некоторые продолжаются ещё со станции «Мир». В России этим активно занимается Институт медико-биологических проблем, в чью зону ответственности входит здоровье космонавтов, а также НИИЯФ МГУ, который следит за радиационной обстановкой. Благодаря многолетним данным, можно узнать, например, как менялась средняя доза в зависимости от одиннадцатилетнего солнечного цикла или от высоты полёта станции. Например переход с 360-километровой орбиты на 410-километровую позволил заметно снизить расход топлива на поддержание орбиты, но увеличил дозу экипажа примерно на 20%.

Чтобы не углубляться в детали, стоит сказать, что средняя доза космонавта на МКС за полугодовую экспедицию примерно равна средней дозе ликвидатора Чернобыльской аварии. И это примерно одна шестая от допустимой предельной дозы за всю карьеру космонавта. Уровень облучения на МКС может колебаться примерно на 30% в зависимости от местонахождения каюты космонавта, высоты орбиты и солнечной активности (чем выше активность, тем ниже доза).

Исследования показывают, что на орбите МКС для экипажа два главных облучающих фактора — это протоны нижнего радиационного пояса и галактические космические лучи. Солнечные вспышки за время измерений добавили к общей дозе считанные проценты. Электроны внешнего радиационного пояса вносят такой незначительный вклад в облучение экипажа, что их даже не учитывают в измерениях внутри станции. Это может быть неожиданным фактом для многих хранителей стереотипа о солнечных вспышках, как главном источнике радиационной опасности в космосе.

Фактически же, из-за радиационных поясов, поглощенная доза экипажа станции на низкой околоземной орбите примерно равна дозе на поверхности Марса, у которого нет магнитного поля, а атмосфера экранирует примерно как корпус станции.

Проблема в том, что земное магнитное поле содержит неоднородности, поэтому в районе Южной Атлантики и Бразилии часть «подковы» (если смотреть в профиль) протонного радиационного пояса прижимается близко к атмосфере. Когда МКС пролетает над Бразилией внутренний фон подскакивает в десять раз, и за сутки происходит около шести таких пересечений.

Датчики заряженных частиц, установленные на МКС позволяют построить вот такую карту космического излучения.

Здесь отчетливо видно пятно Южно-Атлантической аномалии, и возрастание радиации ближе к полюсам.

Что ждет станцию на полярной орбите?

Один из вариантов будущей Российской орбитальной служебной станции (РОСС) предполагает высоту около 360 км и наклонение орбиты 97 градусов, это значит, что станция будет летать практически поперек плоскости экватора. На такой орбите, только выше, уже летали спутники с датчиками заряженных частиц. Если взглянуть на созданные ими карты, то видно, что к Южно-Атлантической аномалии добавляются ещё две полосы.

На самом деле это места погружения в Землю магнитных линий внешнего радиационного пояса, которые близки (но не совпадают) с кольцами полярных сияний, просто развернутые в картографическую проекцию.

Глядя на эту карту, становится очевидно, что доза на такой орбите возрастет, ведь эти полосы станция будет пересекать не шесть раз в сутки, а по четыре раза на каждом витке. Да и Южно-Атлантическая аномалия никуда не девается, хотя сокращается длительность пребывания в ней.

Разумеется в Роскосмосе парни не забыли о космической радиации, и в ИМБП уже провели соответствующие расчеты. Этим летом на международной конференции GLEX заведующий лабораторией радиационного контроля при космических полётах Вячеслав Шуршаков представил расчеты дозы для полярной орбиты РОСС. Вывод неожиданный — в отсутствие солнечных вспышек средняя доза на высоте 400 км вырастет всего в 1,4 раза по сравнению с МКС, при этом не из-за радиационных поясов, а в основном, из-за галактических космических лучей.

Поскольку защитные способности магнитного поля Земли у полюсов падают практически до нуля, то галактические лучи и протоны солнечных вспышек могут беспрепятственно бомбардировать нашу Землю. Жители Мурманска могут не переживать на этот счет, ведь их, как и всех землян, защищает наша настоящая броня — атмосфера. А вот космонавтам будет хуже.

Насколько опасны для экипажа полярные сияния?

Теперь суммируем все факты. В период солнечного спокойствия, когда нет вспышек, многократные пролёты через области вхождения внешнего радиационного пояса в атмосферу не представляют заметной опасности. Это связано с тем, что этот пояс наполнен легкими электронами в большей степени чем протонами. Именно электроны дают то красивое полярное сияние, которое доступно жителям и гостям Приполярья.

Протоны тоже могут вызывать свечение атмосферы, но Бразильские полярные сияния ещё никто не наблюдал по простой причине — протонные сияния видны только в ультрафиолете.

Даже самые энергичные электроны поглощаются корпусом станции, и способны создавать проблемы только во время выхода в открытый космос.

Ситуация может значительно усугубиться во время солнечных вспышек. Специалисты ИМБП констатируют, что для экипажа стоит предусмотреть дополнительные средства защиты спального и рабочего мест. Это может быть просто изменение компоновки станции, чтобы люди были окружены как можно большим количеством оборудования. Например сейчас в модуле «Звезда» условная «столовая» защищена от действия радиационных поясов почти в два раза лучше чем рабочее место.

Можно установить и специальную дополнительную защиту. Тяжелые материалы типа свинца в качестве защитных не рассматриваются, т.к. дают сильную вторичную радиацию. Эффективными считаются водородсодержащие материалы, типа воды или полиэтилена. На МКС уже сейчас проходит эксперимент «Шторка защитная» где в качестве антирадиационной брони каюты космонавта используются… влажные салфетки.

Оказалось, что благодаря салфеткам радиационный фон в каюте сократился на 30%. Всем кто захочет поиронизировать над идеей прикрываться салфетками от радиации стоит учесть, что их суммарная масса была около 70 кг.

Еще один важный фактор, позволяющий немного снизить дозу на полярной орбите — это высота полёта станции, она будет примерно на 50 км ниже МКС, как в свое время летала станция «Мир».

Исследование ИМБП не касается выходов космонавтов в открытый космос. Оболочка скафандра значительно тоньше чем космической станции, но даже она сокращает дозу вдвое по сравнению с «голым» выходом. Вероятно, длительность внекорабельной деятельности на полярной орбите придется ограничить в полтора-два раза и внимательнее следить за солнечной активностью. Но в любом случае лететь можно!

Выражаю признательность за помощь в подготовке материалаВячеславу Шуршакову (ИМБП РАН) и Давиду Парунакяну с Ильей Кудряшовым (НИИЯФ МГУ).Подготовлено специально для блога компании RuVDS.

Чтобы не пропускать новые посты, подпишитесь на мои страницы:в ЖЖ, Facebook, Вконтакте, Twitter.