Человек на Луне! Дозы радиации при полете на Луну

Для определения доз радиации при полете на Луну мы рассмотрели солнечный ветер и потоки протонов и электронов; солнечные вспышки, которые  во время максимумов активности вместе с рентгеновским излучением Солнца резко повышают радиационную опасность для космонавтов; галактические космические лучи (ГКЛ), как  наиболее высокоэнергетическую составляющую корпускулярного потока в межпланетном пространстве (150—300 мбэр в сутки); так же коснулись радиационного пояса Земли (РПЗ). Было указано, что  для космонавтов РПЗ один из наиболее опасных факторов на трассе сообщений Земля-Луна.
 
Определим дозы радиации при прохождение радиационных поясов, а так же учтем радиационную опасность солнечного ветра.  Воспользуемся общепринятой моделью радиационного пояса Земли AP-8 min (1995 г.).



ПРОТОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ
На рис. 1 приведено распределение протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора. По оси абсцисс отложен параметр L в радиусах Земли, по оси ординат - плотность потока протонов в см-2 с-1. На этом рисунке представлены усредненные по времени значения плотности потоков протонов по данным советских и зарубежных авторов, относящиеся к периоду I96I-I975 гг [48].

Рис. 1. Усредненные по времени профили плотности потоков протонов в плоскости геомагнитного экватора (цифры у кривых соответствуют нижнему пределу энергии протонов в МэВ).

Рис. 2. Распределение  интегральных потоков протонов в плоскости геомагнитного экватора. L - расстояние от центра Земли, выраженное в радиусах Земли. (Цифры у кривых соответствуют нижнему пределу энергии протонов в МэВ).

Рис. 3. Меридиональное сечение радиационного пояса Земли и места приводнения Аполлонов. Оболочки L = 1-3 - внутренняя часть пояса РПЗ; L = 3,5-7 - внешняя часть РПЗ; L равен радиусу Земли. Красными точками обозначены места приводнения Аполлон 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, находящиеся вблизи геомагнитного экватора.

Воспользуемся формулой для расчета эквивалентной дозы радиации за единицу времени, которую человек получает в Космосе для кожи и внутренних органов в зависимости от толщины внешней защиты и ионизирующего излучения. В таблице 1 приведены эквивалентные дозы радиации, которые получает астронавт при двукратном прохождении внутреннего протонного РПЗ, находясь в командном модуле Apollo (7,5 г/см²).

Во время магнитных бурь наблюдаются значительные вариации высокоэнергетичных протонов. Появление нового мощного пояса протонов на L~2.5 было зарегистрировано на ИСЗ CRRES 24 марта 1991 г.. В момент гигантского внезапного импульса геомагнитного поля на L~2.8 сформировался новый пояс протонов, эквивалентный стабильному внутреннему поясу, имеющему максимум на L~1.5.
На рис. 4. показаны радиальные профили радиационных поясов для протонов с Ер=20-80 МэВ и электронов с Ее>15 МэВ, построенные по данным измерений на ИСЗ CRRES до события 24 марта 1991 г. (день 80), через три дня после образования нового пояса (день 86) и через ~6 месяцев (день 257).  Видно, что потоки протонов расширились более чем в два раза, а потоки электронов с Ее>15 МэВ превысили спокойный уровень почти на три порядка величины. В дальнейшем они регистрировались до середины 1993 г.
Аполлонам  17 (последняя высадка на Луну) за полгода до старта предшествовало три мощных магнитных шторма - 17-19 июня, 4-8 августа после мощного солнечно-протонного события, 31 октября по 1 ноября 1972 гг.. Это же касается Аполлона 8 (первый облёт Луны с человеком на борту), которому предшествовал мощный магнитный шторм за два месяца,  30-31 октября 1968 гг.. Очевидно, следовало ожидать значительное расширение протонного пояса и увеличение дозы радиации до 10 Зивертов. Это смертельная доза радиации для человека.

Для потоков протонов существует высотный ход интенсивности протонов, который  может быть записан в виде:

 

J(B) = J(Bэ)(BЭ/B)n

где В и В - напряженность магнитного поля в искомой точке и на экваторе, a J(В) и J(Вэ) - интенсивности как функции В и Вэ; n=1,8-2 [50].
Например, для протонов в плоскости геомагнитного экватора на широтах λ~30° (В/Вэ=3) и λ~44° (В/Вэ=10) значение доз радиации протонной составляющей уменьшится, соответственно, в 10 и 100 раз.

ЭЛЕКТРОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ
Внешний пояс радиации открыт советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км. Он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора). Электронная компонента радиационных поясов испытывает значительные пространственные и временные вариации в зависимости от трех параметров: местного времени, уровня геомагнитного возмущения и фазы цикла солнечной активности. Максимальная поглощённая доза, создаваемая внешним поясом за один час, может составить громадную величину — до  100  Грей. Проблема защиты от радиации внешнего пояса менее сложная, чем проблема защиты от радиации внутреннего пояса. Внешний пояс состоит в основном из электронов  невысокой энергии, от которых защищают обычные материалы обшивки космического корабля. 
Однако, при такой защите создается жесткое и мягкое рентгеновское излучение (эффект "рентгеновской трубки"). Рентгеновское излучение является ионизирующим и глубоко проникающим при прочих равных условиях для других видов излучения. Полёт через радиационный пояс на пути к Луне и обратно длится около 7 часов.  Аполлон 13 по легенде НАСА вовсе "возвращался" в лунном модуле с толщиной защиты в пять раз меньше, чем для командного модуля. В течении этого времени излучение воздействует на ткани живых организмов, может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей, наконец, является мутагенным фактором.

Воспользуемся следующими данными и оценим дозы радиации.

Ниже представлены усредненные по времени и по всем значениям долготы профили интегральной интенсивности электронов различных энергий для (а) - минимума солнечной активности, (б) - для эпохи максимума [48].

Рис. 4. Усредненные во времени и по всем значениям долготы профили интенсивности электронов различных энергий на геомагнитном экваторе. Цифры у кривых соответствуют энергии электронов в МэВ. (а) и (б) - для эпох минимума и максимума солнечной активности.

Рисунок показывает, что в эпоху максимума солнечной активности доза радиации, создаваемая внешним поясом, возрастает в 4-7 раза.  Напомним, что 1969 - 1972 был год пика 11-летней солнечной активности.
Как и для протонов, для электронной составляющей РПЗ существует универсальный высотный ход, n=0,46 [50]. Высотный ход для электронов менее критичен, чем для протонов. Например, для электронов на широтах λ~30° (В/Вэ=3) и λ~44° (В/Вэ=10) значение доз радиации электронной составляющей уменьшится, соответственно, в 1,7 и 3,1 раз. Это значит, что по схеме НАСА полёта к Луне и возвращения на Землю Аполлоны никак не могут миновать электронную составляющую РПЗ.

Результаты расчета дозы радиации и используемые характеристики электронной составляющей РПЗ приведены в таблице 2.

Отметим обстоятельство, что радиационный эффект на 1-2 порядка выше, чем даёт официальный доклад НАСА для миссий Аполлонов. Так для Аполлон 13 значение поглощенной дозы составляет 0,24 рад. Расчёт даёт значение  ~34,5 рад, это в 144 раз больше. При этом радиационный эффект увеличивается почти в два раза при уменьшении эффективной защиты с 7,5 до 1,5 г/см2, тогда как доклад  НАСА указывает на обратное. Для Аполлон 8 и Аполлон 11 официальные дозы радиации составляют, соответственно, 0,16 и 0,18 рад. Расчет дает 19,4 рад. Это в 121 и 108 раз меньше, соответственно. И только для Аполлон 14 официальные дозы радиации составляют 1,14 рад, что в 17 меньше расчетного.

Для электронной составляющей РПЗ существует сезонные вариации. На рис. 5 представлены потоки релятивистских электронов за один пролет пояса по данным ИСЗ ГЛОНАСС и геомагнитные индексы Кр и Dst за 1994-1996 гг. Жирные линии представляют результаты сглаживания измерений. Представленные данные демонстрируют хорошо заметные сезонные вариации: потоки электронов весной и осенью в 5-6 раз больше минимальных – зимой и летом.

Запуск и посадка Аполлон 13 состоялись весной, соответственно, 11.04.1970 и 17.04.1970. Очевидно, потоки электронов будут в несколько раз выше, чем усредненные. Это значит, что значение поглощенной дозы радиации вырастит в несколько раз и составит 43-52 рад. Это в 200 раз больше официальных данных.  Аналогично, для Аполлон 16 (запуск и посадка, соответственно, 16.04.1972 и  27.04.1972) доза радиации составит 25-30 рад.

Во время магнитных бурь происходит изменение интенсивности электронов в РПЗ иногда в 10-100 раз и более в эпоху максимума солнечной активности.  В этом случае дозы радиации могут возрасти до опасных значений для жизни космонавтов и составить 10 Зивертов и более. Как правило, в эти периоды преобладает инжекция частиц, особенно при сильных магнитных возмущениях. На рис. 6 приведены профили интенсивности электронов различных энергий в спокойных условиях (рис. 6а) и через 2 дня после магнитной бури 4 сентября 1966 года (рис. 6б) [48].

Рис. 6. Профили потоков электронов в спокойных условиях за шесть дней до бури (а) и спустя два дня после магнитной бури (б). Цифры у кривых-энергий электронов в кэВ.

Одним из полетов к Луне по отчёту НАСА был Аполлон  14: Алан Шепард, Эдгар Митчелл, Стюарт Руса 31.01.1971 — 09.02.1971 GMT / 216:01:58 Третья высадка на Луну: 05.02.1971 09:18:11 — 06.02.1971 18:48:42 33 ч 31 мин / 9 ч 23 мин 42.9. 27 января за несколько дней до старта  Аполлон началась умеренная магнитная буря, перешедшая в малую бурю 31 января [49], которые вызвала солнечная вспышка в направлении к Земле 24.01.1971 гг.. Очевидно, повышение уровня радиации можно ожидать в 10-100 раз или 1-10 Зивертов (100-1000 рад). В  случае дозы радиации 10 Зивертов  радиационный эффект при полете через пояс Ван-Алена  - 100% летальный исход.

Итогами полета Аполлон 14  было:  1) продемонстрирована отличная физическая подготовка и высокая квалификация астронавтов, в частности — физическая выносливость Шепарда, которому на момент полёта было 47 лет; 2) никаких болезненных явлений у астронавтов не наблюдалось; 3) Шепард прибавил в весе полкилограмма (первый случай в истории американской пилотируемой космонавтики); 4) за время полёта астронавты ни разу не принимали медикаментов; 5) продемонстрированы преимущества исследования Луны с участием астронавтов по сравнению с полётами автоматических аппаратов...

На рис. 8 показано изменение профилей интенсивности электронов с энергией 290-690 кэВ до и после магнитной бури.

Рис. 8. Плотности потока электронов с энергией 290-690 кэВ для различных моментов времени на оболочках радиационного пояса Земли от 1,5 до 2,5. Цифрами у кривых обозначено время в сутках, прошедшее после инжекции электронов.

Рис. 8 показывает, что через 5 суток плотность потоков электронов с энергией 290-690 кэВ значительно расширена и в 40-60 раз выше, чем до магнитной бури, через 15 суток - в 30-40 раз выше, через 30 суток - в 5-10 раз больше, через 60 суток - в 3-5 раз  больше.  Только через 3 месяца электронная составляющая РПЗ приходит к равновесному состоянию.
Значительные пространственные и временные изменения  потоков электронов во всей области поясов в течение одного года показаны на рис. 9.

Рис. 9. Изменения потоков электронов c энергией >400 кэВ в радиационных поясах в течение 1 года. Оттенки серо-чёрного цвета демонстрируют изменение потока частиц: чем чернее оттенок, тем больше поток частиц. Видно, что наибольшие потоки частиц наблюдаются во время магнитных бурь (геомагнитный индекс Кр). В эти моменты времени на несколько порядков увеличивают плотность электронов между внутренней и внешней зонами радиации на расстояниях 2,5-5,5 Rз.

Как можно видеть, значительные вариации электронной составляющей РПЗ  по интенсивности и по пространству относительно спокойного состояния радиационного пояса Земли занимают четверть года. Во время магнитных бурь потоки частиц значительно расширяются во внешнюю область и "сползают” ближе к Земле, заполняя ранее пустовавшие области захваченной радиации.
Резкое увеличение потоков электронов создают реальную угрозу спутникам и пилотам КА на трассе Земля-Луна, находящихся в зоне всплесков их потока. Уже отмечено довольно много случаев, когда выход из строя отдельных систем спутников или даже прекращение их функционирования связан с резким усилением потока релятивистских электронов. Мощный поток электронов с энергией в несколько МэВ, насквозь пробивает оболочку спутника, электроны с меньшей энергией  генерируют огромны поток вторичного тормозного излучения, состоящего из жесткого рентгеновского излучения.



ДОЗЫ РАДИАЦИИ В ОКОЛОЛУННОМ ПРОСТРАНСТВЕ И НА ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ
На околоземной орбите космонавты находятся под защитой магнитосферы Земли. В окололунном пространстве или на поверхности Луны весь поток солнечного ветра принимает корпус космического аппарата или лунного модуля. Потоком протонов можно пренебречь (очевидно, кроме солнечно-протонных событий). Плотность потока электронов в солнечном ветре меняется на два-три порядка порой в течении одной только недели. При столкновении с обшивкой корабля или модуля электроны останавливаются и рождают рентгеновское излучение, которое имеет огромную проникающую способность (толщина защиты 7,5 г/см2 алюминия уменьшит дозы радиации только в два раза).
Ниже график изменения дозы радиации рад/сутки с 1996 по 2013 год, которые получает астронавт при толщина внешней защиты 1,5 г/см2:

Рис. 10. Изменения дозы радиации рад/сутки с 1996 по 2013 год, которые получает астронавт при толщина внешней защиты 1,5 г/см2 в окололунном пространстве. Нелинейная шкала слева – уровни потока электронов для солнечного ветра по данным спутника ACE, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад за сутки. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: жёлтая – доза при единичной рентгенографии грудной клетки, оранжевая – доза при томографии позвонков.

Из рис. 10 видно, что дозы радиации в окололунном пространстве и на поверхности Луны носят нерегулярный характер. В год минимума солнечной активности дозы радиации составляют 0,0001 рад. В год максимума солнечной активности изменяются от 0,003 до 1 рад/сутки (прим. - для электронов бэр=рад; нерегулярность потоков электронов в солнечном ветре в годы максимальной солнечной активности связана с вспышками на Солнце, которые происходят ежедневно). За месяц пребывания в окололунном пространстве астронавты для значения соответствующем 1-31 октября 2001 года получают дозы 0,5 рад, среднее 0,016 рад/сут; для значения соответствующем 1-30 ноября 2001 года получают дозы 3,4 рад, среднее 0,11 рад/сут; усредненное за два месяца составляет - 3,9 рад за 60 суток или 0,065 рад/сут. Это значит, что дозы радиации, полученные астронавтами 9-ти миссий только пребывания в окололунном пространстве, выше доз, заявленных НАСА и должны иметь значительные вариации. Это противоречит данным миссий Аполлон.  При боле высокой плотности потока электронов, а так же при длительном пребывании вне магнитосферы Земли (100 суток), дозы могут приближаться к значениям лучевой болезни - 1,0 Зв. Дополнительно - Архив доз радиации с 1 января 2010 г.

Очевидно, что данные дозы радиации суммируются с другими дозами, например, при прохождении радиационного пояса Земли, в итоге имеем те значения, которое получает астронавт при полете на Луну и возвращении на Землю.



ОБСУЖДЕНИЕ
После миссий Аполлонов прошло 40 лет. До сих пор ни кто не даёт точный прогноз для геомагнитного возмущения. Говорят о вероятности геомагнитных возмущений (магнитная буря, магнитный шторм) на сутки, на несколько дней. Точность прогноза на неделю ниже 5%. Более непредсказуемый характер отмечается для электронов солнечного ветра.  Это значит, что с вероятностью  не ниже 20-30% астронавты миссий Аполлонов попадут в непредсказуемый мощный поток электронов радиационного пояса Земли и солнечный ветер.

Полёт Аполлонов сквозь внешний РПЗ и солнечный ветер в эпоху активного солнца можно сравнить с гусарской рулеткой, когда в пустой барабан 4-зарядного револьвера заряжается один патрон! Было сделано 9 попыток. Вероятность не получить острую лучевую болезнь

Это равносильно почти 100% лучевой болезни.
 
Подводя итог скажем: двукратное прохождение радиационного пояса Земли по схеме НАСА приводит к смертельным дозам радиации 5 Зивертов и более во время магнитных бурь.
Даже если бы Аполлонам сопутствовала  фортуна -

1. дозы радиации при прохождении протонной составляющей РПЗ были бы в 100 раз меньше,
2. прохождение электронной составляющей РПЗ было бы при минимальном геомагнитном возмущении и низкой магнитной активности,
3. низкая плотность электронов в солнечном ветре,

тогда суммарная доза радиации составит не ниже 20-30 бэр.  Дозы радиации не опасны для жизни человека. Однако и в этом случае радиационный эффект на два порядка выше тех значений, которые заявлены в официальном докладе НАСА!

В таблице 3 приведены суммарные и суточные дозы радиации пилотируемых полётов на космических кораблях и данные с орбитальных станций.

Таблица 3. Суммарные и суточные дозы радиации пилотируемых полётов
на космических кораблях и на орбитальных станциях.

Можно отметить, что дозы радиации Аполлон 0,022-0,127 рад/сут, получаемые астронавтами при полёте на Луну,  не отличаются от доз радиации 0,010-0,153  рад/сут при орбитальных полетах.  Влияние радиационного пояса Земли равно нулю. Хотя настоящий расчёт показывает, что дозы радиации миссий на Луну в 100-1000 раз и более будут выше. Можно так же отметить, что наиболее низкий радиационный эффект 0,010—0,020 рад/сут наблюдаются для орбитальной станции "МКС", имеющей эффективную защиту 15 г/см2 и находящейся на низкой опорной орбите Земли.  Наиболее высокие дозы радиации 0,099—0,153 рад/сут отмечены для ОС "Скайлэб", имеющий  защиту 7,5 г/см2 и осуществлявших полёт на высокой опорной орбите.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аполлоны не летали на Луну, они кружили на низкой опорной орбите, находясь под защитой магнитосферы Земли, имитируя полёт к Луне, и получили дозы радиации обычного орбитального полёта.

В целом, истории «пребывания человека на Луне» несколько десятилетий! Полёт американцев к Луне можно сравнить с шахматной игрой. С одной стороны было НАСА, великодержавный престиж нации, политика и "адвокаты" НАСА, с другой стороны были Ральф Рене, Ю. И. Мухин, А. И. Попов и многие другие энтузиасты-оппоненты. Оппонентами было поставлено множество шахматных шахов, один из последних -  "Человек на Луне. Солнце на снимках Аполлонов в 20 раз больше!" Данной статьей  от имени  всех оппонентов объявляется шахматный мат НАСА.

Несмотря на опасность РПЗ и политику, безусловно, человечество не останется вечно на Земле… Главным способом обойти радиационные пояса Ван-Алена является изменение схемы траектории полета к Луне и электромагнитная защита от электронов.

Рейтинг публикации:

79

Комментарии (8) | Распечатать

Добавить новость в: