Космическое излучение — это и есть радиация в космосе. В этой статье мы выясним, что оно собой представляет, почему мы защищены от него, находясь на Земле, как оно может влиять на людей, выполняющих определенную работу, и как оно может способствовать развитию технологий лечения рака.
Что такое космические лучи?
Космические лучи представляют собой чрезвычайно высокоэнергетические субатомные частицы — в основном протоны и атомные ядра, сопровождаемые электромагнитными излучениями, — которые перемещаются в космосе, в конечном счете достигая поверхности Земли. Они движутся практически со скоростью света, составляющей приблизительно 300 000 км/с.
Откуда они берутся?
Космические лучи бывают двух видов: галактические и солнечные. Галактическое космическое излучение исходит от остатков сверхновых, образующихся в результате мощного взрыва на последних этапах эволюции массивных звезд, которые либо превращаются в черные дыры, либо разрушаются. Выделяемая при этих взрывах энергия ускоряет заряженные частицы за пределами нашей Солнечной системы, из-за чего они приобретают очень высокую проникающую способность, а их экранирование становится чрезвычайно трудной задачей. По сути, сверхновые действуют как огромные природные ускорители частиц. Земля постоянно подвергается воздействию галактического космического излучения.
Солнечное космическое излучение состоит из заряженных частиц, испускаемых Солнцем, — преимущественно электронов, протонов и ядер гелия. Часть этого излучения непрерывно исходит из короны Солнца, поэтому ученые стали называть его «солнечным ветром». Остальное излучение порождается событиями солнечных частиц — внезапными и спорадическими выбросами электрически заряженных частиц, сопровождающимися электромагнитными излучениями, которые возникают, когда магнитные поля на поверхности Солнца растягиваются и скручиваются. Словно резиновая лента, магнитные поля Солнца могут внезапно сжиматься, высвобождая огромную энергию, выброс которой может потенциально представлять угрозу для здоровья находящихся в космосе астронавтов. Сильные солнечные вспышки, хотя и случаются редко, могут в конечном счете приводить к нарушению радиосвязи и влиять на работу современных технологий связи и навигации на самой Земле.
Достают ли до нас космические лучи на Земле?
Земля экранирована магнитным полем, и оно заставляет заряженные частицы отклоняться от полюса к полюсу, создавая два гигантских пояса, напоминающие по форме бублик, в которых удерживаются электроны и протоны высоких энергий. Таким образом, магнитосфера отклоняет космические лучи и защищает нас от солнечных вспышек. Иногда космическое излучение все же достигает нас, но не причиняет никакого вреда, подобно другим слабым уровням излучения, которые регулярно присутствуют в нашей жизни. В среднем люди получают дозу излучения, составляющую около 3,5 миллизивертов в год. Примерно половина этого излучения происходит из искусственных источников, таких как рентгеновская съемка, маммография и КТ, а другая половина — из природных источников, в числе которых около 10% приходится на космическое излучение. Зиверт используется в качестве единицы измерения риска для здоровья вследствие облучения: доза в один зиверт предполагает 5,5% вероятность развития в конечном итоге радиационно-индуцированного рака в более поздний период жизни человека.
«Частицы космического излучения, проникающие в атмосферу на магнитных полюсах Земли, могут создавать поистине удивительные, красочные всполохи полярного сияния», — рассказывает Михаэль Хаек, специалист МАГАТЭ по внешнему дозиметрическому контролю. Джоан Файнмэн, астрофизик, которая посвятила большую часть своей жизни изучению полярного сияния, обнаружила, что эти магические явления, наблюдаемые преимущественно в высоких широтах вокруг Арктики и Антарктики, являются результатом столкновений между заряженными частицами солнечного ветра и газообразными компонентами атмосферы. За наиболее распространенный цвет полярного сияния, бледно-желтовато-зеленый, отвечают молекулы кислорода, в то время как взаимодействие частиц с азотом дает синий или пурпурно-красный цвет полярного сияния.
Достают ли они до нас, когда мы летаем?
Да. Хотя пассажиры самолетов испытывают повышенное воздействие космических лучей, особенно на больших высотах и широтах, доза облучения, которую они получают за один полет, совсем незначительна. Экипажи воздушных судов и часто летающие пассажиры подвержены воздействию радиации из космоса в больших дозах, в зависимости от того, как часто они летают. Доза облучения экипажа, выполняющего полеты преимущественно на малой высоте, как, например, в случае большинства летательных аппаратов на авиационном топливе, едва ли будет превышать один миллизиверт в год. Тем не менее, для экипажей, работающих на дальнемагистральных полярных маршрутах, годовая эффективная доза облучения может составлять до шести миллизивертов.
«В нормах безопасности МАГАТЭ предусмотрен специальный раздел, GSR-Part 3, раздел 5, в котором изложены возможные варианты действий государств-членов по сокращению радиационного облучения экипажей воздушных судов», — поясняет Тони Колган, руководитель Группы радиационной защиты МАГАТЭ. Количество летных часов для экипажей контролируется Международной ассоциацией воздушного транспорта (ИАТА), которая также устанавливает предельные дозы облучения, которым они могут подвергаться.
А как же космонавты?
Экипаж космического летательного аппарата получает еще более высокую дозу облучения. Космонавт, находящийся на борту космической станции, которая вращается вокруг Земли на орбите высотой 400 км, обычно подвергается облучению в дозах, превышающих половину миллизиверта в сутки. Таким образом, за 12 дней космонавты получают ту же дозу, что и экипаж самолета за год. Национальными космическими агентствами установлены предельные дозы облучения для космонавтов. Такие последствия для здоровья, как радиационно-индуцированный канцерогенез и некоторые реакции тканей, могли быть связаны с воздействием на космонавтов космического излучения, хотя из-за небольшого размера выборки количественная оценка подобных последствий затруднительна.
Можно ли извлечь какую-либо пользу из космического излучения на Земле?
«Удивительно, как понимание нами механизмов повреждения клеток вследствие высоких уровней космического излучения может помочь в развитии технологий, применяемых для лечения рака с использованием ускорителей тяжелых заряженных частиц», — говорит Михаэль Хаек. Благодаря своим уникальным свойствам пучки заряженных частиц — подобные тем, которые встречаются в космосе — могут разрушать глубоко расположенные опухоли, сводя к минимуму повреждения окружающих тканей. «Достижения в области ионной терапии, в свою очередь, позволят нам улучшить радиационную защиту в космосе и преодолеть нынешние ограничения в области прогнозирования рисков для здоровья при длительных космических полетах», — объясняет г-н Хаек.
