Радиация в околоземном пространстве и на самой планете Земля

Введение

Проблема радиационного  фона Земли наиболее актуальна в  наше время, так как все большее  распространение получают такие  области науки и производства, в которых используются технологии в результате которых изменяется радиационный баланс Земли. В контрольной работе мы рассмотрим такие вопросы как: Земля в потоке космических лучей. Повышенный фон радиации в особых регионах Земли. Рост уровня радиации при уменьшении модуля геомагнитного поля. Изменения радиационного фона Земли в прошлом и настоящем. Роль радиации в изменениях климата и эволюции жизни.

радиация космический пояс аномалия

1. Радиационный  фон

Радиационный фон Земли  формируют природные и антропогенные  ионизирующие излучения, источниками  которых являются не только космические, но и разнообразные земные явления - ядерные взрывы, выбросы предприятий  атомной энергетики, отработанное ядерное  топливо и др. Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле  возникла и развивается в условиях постоянного облучения.

Радиационный фон Земли  складывается из следующих компонентов:

- космическое излучение;

- излучение от находящихся в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;

- излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

Облучение может быть внешним  и внутренним. Внешнее облучение  обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое излучение, наземные источники). Внутреннее облучение  осуществляют радионуклиды, находящиеся  в теле человека. За счёт космического излучения большинство населения  получает дозу 35 мбэр в год (1 мбэр = 10-3 бэр). Такую же дозу (35 мбэр/год) человек получает от внешних земных источников естественного происхождения. Доза внутреннего облучения от естественных источников составляет в среднем 135 мбэр/год (3/4 этой дозы даёт не имеющий вкуса и запаха тяжёлый радиоактивный газ радон и продукты его распада).

Таким образом, суммарная  доза внешнего и внутреннего облучения  человека от естественных источников радиации в среднем равна около 200 мбэр/год.

В результате деятельности человека в непосредственно окружающей его среде появились дополнительные источники радиации, в том числе  естественные радионуклиды, извлекаемые  в больших количествах из недр Земли вместе с углём, газом, нефтью, минеральными удобрениями, сырьём для  строительных материалов. Вклад искусственных  источников излучений в создании суммарной годовой дозы облучения  человека иллюстрируется следующим  списком (первая строка этого списка - уже обсуждавшийся выше суммарный  вклад от естественных радиоактивных  источников): мбэр/год

Естественный радиационный фон 200

Стройматериалы 140

Медицинские исследования 140

Бытовые предметы 4

Ядерные испытания 2.5

Полёты в самолётах 0.5

Атомная энергетика 0.2

Телевизоры и мониторы 0.1

Общая доза 500

2. Космические  лучи

Космические лучи - элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий  во Вселенной.

Физика космических лучей  изучает:

- процессы, приводящие к возникновению и ускорению космических лучей;

- частицы космических лучей, их природу и свойства;

- явления, вызванные частицами космических лучей в космическом пространстве, атмосфере Земли и планет.

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных частиц, попадающих в магнитосферу Земли из космического пространства (первичные лучи), а также потоков вторичных частиц, родившихся в ядерных реакциях в верхних слоях земной атмосферы, - является важнейшими экспериментальными задачами.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой  радиации) на поверхности земли и  в атмосфере.

До развития ускорительной  техники космические лучи служили  единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в  космических лучах.

Химический спектр космических  лучей в пересчете энергии  на нуклон более чем на 94% состоит  из протонов, ещё на 4% - из ядер гелия (альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно меньше. В пересчете энергии на частицу  доля протонов составляет около 35%, доля тяжёлых ядер соответственно больше.

Традиционно частицы, наблюдаемые  в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Химический состав первичного космического излучения  отличается от состава звёзд и  межзвёздного газа высоким (в несколько  тысяч раз) содержанием ядер группы L (литий, бериллий, бор).

Данное явление объясняется  тем, что частицы КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн. лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время ядра группы VH могут  неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой степенью изотропии.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном  космическом пространстве.

В околоземном космическом  пространстве (ОКП) различают несколько  типов космических лучей. К стационарным принято относить галактические  космические лучи (ГКЛ), частицы альбедо  и радиационный пояс. К нестационарным - солнечные космические лучи (СКЛ).

Галактические космические  лучи (ГКЛ).

Галактические космические  лучи (ГКЛ) состоят из ядер различных  химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е > 10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области Е < 100 МэВ/нуклон частицы образуются за счет ускорения в межпланетной среде частиц солнечного ветра и межзвездного газа. Дифференциальный энергетический спектр ГКЛ носит степенной характер.

Вторичные частицы  в магнитосфере Земли: частицы альбедо, радиационный пояс.

Внутри магнитосферы, как  и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E

< Eкр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне Бразильской магнитной аномалии - БМА) до 6000 км (внутренний радиационный пояс земли - РПЗ) и от 12000 км до 40000 км (внешний РПЗ). Основным наполнением внутреннего пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего - электроны.

Максимум интенсивности  протонов низких энергий расположен на расстояниях L ~3 радиусов Земли от её центра. Электроны малых энергий  заполняют всю область захвата.

Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток  протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения  с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее  время распада ~ 900 с), часть из них  распадается в зонах, недоступных  для заряженных частиц малых энергий.

Таким образом, продукты распада  нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и  pitch-углов эти протоны и электроны могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.

Частицы альбедо - это вторичные  частицы, отраженные от атмосферы Земли.

Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 10. МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.

Солнечные космические  лучи.

Солнечными космическими лучами (СКЛ) называются энергичные заряженные частицы - электроны, протоны и ядра, - инжектированные Солнцем в межпланетное пространство. Энергия СКЛ простирается от нескольких кэВ до нескольких ГэВ. В нижней части этого диапазона  СКЛ граничат с протонами высокоскоростных потоков солнечного ветра. Частицы  СКЛ появляются вследствие солнечных  вспышек.

Космические лучи ультравысоких энергий.

Энергия некоторых частиц превышает Предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина - теоретический предел энергии для космических лучей 6.1019 эВ. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических  лучей.

Долгое время после  открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов  регистрации частиц в ускорителях, чаще всего - газоразрядные счётчики или ядерные фотографические  эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести  систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как  они появляются достаточно редко, а  пространство, в котором такой  счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда частица  высокой энергии входит в атмосферу  она, взаимодействуя с атомами воздуха  на первых 100 г./см., рождает целый  шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь  рождают другие частицы, и так  далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы  двигаются со скоростью превышающей  скорость света в воздухе, благодаря  чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

3. Естественный  радиационный фон

Космическое пространство пронизано  заряженными частицами разного  происхождения: галактическим излучением, корпускулярным излучением Солнца и  захваченными частицами, удерживаемыми  на околоземных орбитах магнитным  полем Земли. Галактическое излучение  состоит главным образом из протонов с небольшим количеством ионов  гелия и более тяжелых металлов, а также электронов, фотонов, нейтронов. Энергетический спектр космических  лучей простирается до огромных энергий - свыше 1020 эВ/нуклон. Корпускулярное излучение  Солнца по составу близко к галактическому, но имеет заметный временной ход  и ограничено более низкими энергиями  частиц - до 5?1010 эВ/нуклон. Эмиссия излучения  протекает непрерывно и отражает 11-летний цикл солнечной активности.

Первичные космические лучи в результате процессов ионизации  и ядерных взаимодействий быстро теряют свою энергию и практически  исчезают на высоте около 20 км. Образуется вторичное излучение, интенсивность  которого падает по мере снижения в  атмосфере. Мощность дозы, поглощаемой  воздухом на уровне моря в средних  широтах, составляет 32 нГр/ч (с высотой она удваивается через каждые 1.5 тыс. м); для людей это соответствует средней мощности эквивалентной дозы 355 мкЗв/ч.

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие  на жизнедеятельность человека. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности  человека, животных, растений. Поэтому  при оценке опасности, обусловленной  ионизирующим излучением, крайне важно  знать характер и уровни облучения  от различных источников.

Естественное фоновое  облучение человека обусловливается  внешним и внутренним облучением. Внешнее облучение создается  за счет воздействия на организм ионизирующих излучений от внешних, по отношению  к человеку, источников излучения, а  внутреннее - за счет воздействия на организм ионизирующих излучений радиоактивных  нуклидов, находящихся внутри организма.

Космические излучения и  изотопы земной коры создают естественный радиационный фон, который характерен для каждой местности. Различают  первичное и вторичное космическое  излучение.

Первичное космическое излучение  представляет собой поток частиц, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства, солнечной  системы. Оно состоит из протонов (примерно 90%) и альфа-частиц (около 10%). В меньших количествах присутствуют нейтроны, электроны, ядра легких элементов. Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики. Энергия частиц первичного излучения достигает 1012-1014 МэВ. Кроме того, при солнечных  вспышках возникает солнечное космическое  излучение, которое приводит к увеличению дозы облучения на поверхности Земли.

Вторичное космическое излучение  образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения  с ядрами атомов, входящих в состав воздуха. Оно содержит практически  все известные в настоящее  время элементарные частицы. У поверхности  Земли оно состоит в основном из фотонов, электронов и позитронов с энергией до 100 МэВ.

Мощность космических  лучей, достигающих земной поверхности, зависит от географической широты и  высоты над уровнем моря. Изменение  мощности космических лучей в  зависимости от географической широты обусловлено тем, что Земля похожа на гигантский магнит. Поэтому космические  лучи, будучи заряженными частицами, отклоняются от экватора и собираются вместе в виде своеобразных воронок  в области полюсов Земли. Области  вблизи экватора, находящиеся на уровне моря, получают наименьшую дозу космического излучения, примерно равную 0,35 мЗв/год. На широте 50° доза космического излучения составляет 0,5 мЗв/год. Это обусловлено тем, что толстый слой атмосферы, содержащий воздух и пары воды, разрушая, замедляя и останавливая движение многих быстрых заряженных частиц, двигающихся из космоса.