Формирование техногенных доз облучения. Использование авиации и космические полёты как техногенные источники радиации

Министерство здравохранения Республики Беларусь

УО «Гродненский государственный медицинский университет»

 

 

 

 

 

 

 

Контролируемая самостоятельная работа

Кафедра общей гигиены и экологии

 

 

Формирование техногенных доз облучения. Использование авиации и космические полёты как техногенные источники радиации.

 

 

 

                                                                      

 

                                            

 

 

  Преподаватель: Саляхов Ралиф Шайхинурович

Выполнила студентка лечебного факультета

                                                                        2 курса, 6 группы

                                                                           Лукашевич Юлия Иосифовна

 

 

 

Гродно 2013

Содержание:

1.Введение

2.Основная часть:

  2.1 Формирование техногенных доз облучения

  2.2 Использование авиации и космические полёты как техногенные   источники радиации.

  2.3Космическое излучение

  2.3.1 Космические лучи. Их состав и происхождение

  2.4Космогенные радионуклиды

3.Заключение

4.Список литературы

 

1.Введение

Стремительными темпами развивается промышленное производство, космос и авиация , которые ведут к появлению во внешней среде большого количества радиационного фонда. И поэтому всё население  постоянно подвергается воздействию так называемого естественного (природного) и техногенного радиационного фона, что и обусловлено явлением радиоактивности.

 Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87.Человек до 80% времени проводит в помещениях - дома или на работе, где и получает основную дозу радиации.

Под техногенным облучением обычно понимается облучение, обусловленное естественными радионуклидами, которые концентрируются в продуктах человеческой деятельности, например, строительных материалах, минеральных удобрениях, выбросах тепловых электростанций и др., т.е. техногенное измененный естественного фона .Основным источником техногенной радиации является авиация и космические полёты. Космос радиоактивен. Укрыться от радиации просто невозможно. Представьте себе, что вы стоите посреди песчаной бури, и вокруг вас постоянно кружит водоворот из мелких камешков, которые ранят вашу кожу. Примерно так выглядит космическая радиация. И эта радиация наносит немалый вред. Именно космос и авиация являются основной проблемой появления техногенной радиации. И поэтому я постараюсь наиболее полно и точно объяснить почему это происходит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Формирование техногенных доз облучения

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией. Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы. Организм человека реагирует на радиацию, а не на ее источник. Те источники радиации, которыми являются радиоактивные вещества, могут проникать в организм с пищей и водой (через кишечник), через легкие (при дыхании) и, в незначительной степени, через кожу, а также при медицинской радиоизотопной диагностике. В этом случае говорят о внутреннем обучении. Кроме того, человек может подвергнуться внешнему облучению от источника радиации, который находится вне его тела.

Техногенная радиоактивность возникает вследствие человеческой деятельности. Осознанная хозяйственная деятельность, в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование естественных радионуклидов, приводит к заметным изменениям естественного радиационного фона. Сюда относится добыча и сжигание каменного угля, нефти, газа, других горючих ископаемых, использование фосфатных удобрений, добыча и переработка руд. Такой вид транспорта, как гражданская авиация, подвергает своих пассажиров повышенному воздействию космического излучения. И, конечно, свой вклад дают испытания ядерного оружия, предприятия атомной энергетики и промышленности. Безусловно, возможно и случайное (неконтролируемое) распространение радиоактивных источников: аварии, потери, хищения, распыление и т.п. На Земле существуют населенные области с повышенным радиационным фоном. Это, например, высокогорные города Богота, Лхаса, Кито, где уровень космического излучения примерно в 5 раз выше, чем на уровне моря. Это также песчаные зоны с большой концентрацией минералов, содержащих фосфаты с примесью урана и тория - в Индии (штат Керала) и Бразилии (штат Эспириту-Санту). Хотя в некоторых из этих районов мощность поглощенной дозы в 1000 раз превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в структуре заболеваемости и смертности. Кроме того, даже для конкретной местности не существует "нормального фона" как постоянной характеристики, его нельзя получить как результат небольшого числа измерений. В любом месте, даже для неосвоенных территорий, где "не ступала нога человека", радиационный фон изменяется от точки к точке, а также в каждой конкретной точке со временем. Эти колебания фона могут быть весьма значительными. В обжитых местах дополнительно накладываются факторы деятельности предприятий, работы транспорта и т.д. Например, на аэродромах, благодаря высококачественному бетонному покрытию с гранитным щебнем, фон, как правило, выше, чем на прилегающей местности. Опасность не следует преувеличивать. В отношении радиоактивности существует очень много норм - нормируется буквально все. Во всех случаях проводится различие между населением и персоналом, т.е. лицами, чья работа связана с радиоактивностью (работники АЭС, ядерной промышленности и т.п.). Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории : 
1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению. 
2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению. 
Радиационные эффекты облучения человека 
Соматические эффекты Генетические эффекты 
Лучевая болезнь Генные мутации ...

 
 
2.2.Использование авиации и космические полёты как техногенные источники радиации.

 

Безопасность авиа и космических полётов существенно зависят от текущих условий атмосферы, ионосферы околоземном космическом пространстве. Эти  условия определяют цель комплексов факторов, которые ,в конечном итоге ,контролируются активность Солнца и состояние межпланетной среды. За последние десятилетия наши знания  продвинулись далеко вперед и в понимании проблем солнечно земных связей и ,прежде всего ,комплексного влияния солнечной активности на функционирование искусственных спутников Земли(ИСЗ) и других космических аппаратов(КА),а так же на технику и пассажиров современных высотных авиалайнеров .Первое важное достижение заключается в том, чтобы были определены основные факторы ,негативно влияющие на работу бортовой электроники ,как (ИСЗ),так и самолётов ,а так же на самочувствие и здоровье людей, находящихся на их борту .Одним из основных  факторов является космическая радиация- потоков заряжённых (в основном протоны и электроны) высоких энергией ,а так же ионизирующее электромагнитное излучение, способное проникать сквозь обшивку летательных аппаратов  и даже вглубь атмосферы. Вторым фактором является возмущенность магнитного поля Земли, влияющая на поток радиации в околоземном пространстве. Важным достижением исследования является  идентификация проблемных ситуаций, возникающих в работе оборудования и в самочувствии человека. К ним относятся:

1.Повешенные дозы радиации ,получаемые космонавтами ,а так же пассажирами и экипажами высотных авиалайнеров;

2.Деградация конструкционных  материалов ИСЗ и в первую  очередь солнечных батарей;

3.Электризация обшивка искусственных спутников Земли;

4.Возникновение объемного  заряда внутри ИСЗ;

5.Сбои в работе электронных  систем ИСЗ и авиалайнеров;

6.Нарушение и потеря  ориентации ИСЗ;

7.Непредусмотренная потеря высоты полёта ИСЗ на низко-высотных

орбитах;

8.Нарушение радиосвязи  с ИСЗ и авиалайнерами.

В последнее время появляется всё больше свидетельств о том, что проблемы с самочувствием людей могут  возникать из-за изменения магнитного поля Земли, однако существующих данных не достаточно для научной констатации  этого факта.

Каждая из этих проблемных ситуации может привести к крайне негативным и порой необратимых последствиям .Если же создаются критические условия, при которых начинает работать сразу комплекс из нескольких указанных выше проблем, последствия такой ситуации  оказываются катастрофическими- потерями ИСЗ  или нештатная ситуация на борту авиалайнера ,способная привести к авиакатастрофе.

Следующим шагом в обеспечении безопасности  полётов является разработка методов предупреждения критических ситуаций .При этом возникаю две основные проблемы:

1.Иденфикация внешних  факторов ответственных за возникновение  той или иной проблемной ситуации;

2.Обеспечение диагностики и прогноза соответствующих внешних факторов.

Решение указанных задач занимается научно-прикладная  дисциплина «Космическая погода».Её основной задачей является  выявление причинно-следственных связей между солнечной активностью ,её проявлениями в межпланетной среде, магнитосфере, ионосфере и атмосфере Земли, то есть тем, что принято называть космическая погода, и техногенными и медико-биологическими проявлениями деятельности человека .Вторая ,не менее важная задача-разработка методов диагностики и прогноза космической погоды с целью предупреждения негативных последствий воздействий воздействия её факторов на жизнедеятельность человека.

 

2.3Космическое излучение

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это так называемое первичное космическое излучение, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождает вторичное излучение. В результате на уровне моря излучение состоит почти полностью из мюонов (подавляющая часть) и нейтронов.      Поглощенная мощность дозы космического излучения в воздухе на уровне моря равна 32 нГр/час и формируется в основном мюонами. Для нейтронов на уровне моря мощность поглощенной дозы составляет 0.8 нГр/час и мощность эквивалентной дозы составляет 2.4 нЗв/час. За счет космического излучения большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.      Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Наибольший эффект действия космического внешнего облучения связан с зависимостью космического излучения от высоты (рис.1).      Солнечные вспышки представляют большую радиационную опасность во время космических полетов. Космические лучи, идущие от Солнца, в основном состоят из протонов широкого энергетического спектра (энергия протонов до 100 МзВ), Заряженные частицы от Солнца способны достигать Земли через 15-20 мин после того, как вспышка на его поверхности становится видимой. Длительность вспышки может достигать нескольких часов.    Рис.1. Величина солнечного излучения во время максимальной и минимальной активности солнечного цикла в зависимости от высоты местности над уровнем моря и географической широты.       Величина дозы радиоактивного  облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например, на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.      При трансконтинентальном перелете на обычном турбовинтовом самолете, летящем со скоростью ниже скорости звука (Тполета ≈ 7.5 часа), индивидуальная доза, получаемая пассажиром (50 мкЗв), на 20 % больше, чем доза, полученная пассажиром сверхзвукового самолета (Тполета ≈ 2.5 часа) (40 мкЗв), хотя последний подвергается более интенсивному облучению из-за большей высоты полета. Коллективная эффективная доза от глобальных авиаперевозок достигает 104 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв за год, а в Северной Америке около 10 мкЗв. 2.3.1 Космические лучи. Их состав и происхождение     Космические лучи были  открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли. Рис. 2. Основные компоненты первичных космических лучей Рис. 3. Вертикальные потоки космических лучей в атмосфере. За исключением протонов и электронов на больших высотах, все остальные частицы образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. Точками показаны результаты измерений отрицательных мюонов с энергией > 1 Гэ Характеристики космических лучей до входа в атмосферу (первичные космические лучи)   Галактические космические лучи Солнечные космические лучи Поток ~ 1 см-2·с-1 Во время солнечных вспышек может достигать ~106 см-2·с-1 Состав Ядерная компонента - ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер Электроны (~1% от числа ядер) Позитроны (~10% от числа электронов) Антиадроны <1% 98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия Диапазон энергий 106 - 1021 эВ 105 - 1011 эВ     В результате взаимодействия  с ядрами атмосферы первичные  космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц − пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную , мюонную и электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.      В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят преимущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.      Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты. π0 →2γ ,  π+ → μ+ + νμ,  π- → μ- +  μ,     Мюоны в свою очередь  могут распадаться μ+ →e+ + νe +  μ,  μ- → e- +  e + νμ.     Образующиеся при распаде  нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.      Один протон с энергией > 1014 эВ может создать 106-109вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента − в области ~100 м, мюонная − нескольких сотен метров.      Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см-2·с-1).        Основными источниками  первичных космических лучей  являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 1016 эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E-2.7. Особый интерес представляют области энергий 1015-1016 эВ так называемое "колено" (knee) и 1018-1019 - "лодыжка" (ankle), в которых наблюдаются аномалии.       Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~109лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.

2.4 Космогенные радионуклиды      В результате ядерных  реакций, идущих в атмосфере (а  частично и в литосфере) под влиянием космических лучей, образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды. Например n + 14N   3H + 12C ,         p + 14N   n + 14C     В создание дозы  наибольший вклад вносят 3H, 7Be, 14C и 22Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.1) Таблица 1. Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в   организм человека. Радионуклид Поступление,Бк/год Годовая  эффективная доза,  мкЗв 3H 250 0.004 7Ве 50 0.002 14C 20000 12 22Na 50 0.15     Взрослый человек потребляет  с пищей 95 кг углерода в год  при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год. 3.Заключение За последние несколько десятилетий человек создал сотни искусственных радионуклидов и научился использовать энергию атома в самых разных целях: в медицине, для создания атомного оружия, для производства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов и поиска полезных ископаемых. Все это приводит к увеличению дозы облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом. Индивидуальные дозы, получаемые равными людьми от искусственных источников радиации, сильно различаются. В большинстве случаев эти дозы весьма невелики, но иногда облучение за счет техногенных источников оказывается во много тысяч раз интенсивнее, чем за счет естественных. Как правило, для техногенных источников радиации упомянутые различия выражены гораздо сильнее, чем для естественных. Кроме того, порождаемое им излучение обычно легче контролировать, хотя облучение, связанное с радиоактивными осадками от ядерных взрывов, почти так же невозможно контролировать, как и облучение, обусловленное космическими лучами или земными источниками. Таким образом, несмотря на значительный прогресс в понимании основных фактор и последствий космической погоды .самого космоса ,а так же бурное развитие экспериментальных методов по их диагностике, наши возможности в цепочке «явления -факторы- последствия» пока остаются ограниченными.В первую очередь это связано с недостаточным пониманием природных явлений и космоса в целом ,     что является прямым следствием недостаточного  существующих экспериментальных данных о комплексных нелинейных  процессах ,происходящих на Солнце,в межпланетной сфере и в земной магнитосфере и ионосфере. 4.Список литературы   1. Кузнецов Н.В., Ныммик Р.А.Радиационные одиночные сбои микроэлектроники космических аппаратов, обусловленные событиями солнечных космических лучей//