Экология в системе естественных наук и ее структура

В основу работы измерительных приборов положена количественная оценка физических явлений, сопровождающих взаимодействие излучений с веществом. 

Регистрирующий  излучение прибор состоит из трех основных частей: чувствительного элемента, воспринимающего излучение (детектора, датчика), в который поступают частицы или кванты и с помощью преобразователя эффекта взаимодействия превращаются в электрические импульсы, источника электрического питания и измерительного устройства (счетчика электрических импульсов). 

В качестве единицы  активности принято одно ядерное превращение в секунду или один распад в секунду. В системе СИ эта единица называется беккерель (БК). В практической дозиметрии эта единица называется кюри (Ки), 1 Ки = = 3,7 х 1010 ядерных превращений в 1 с. 

Биологический эффект излучения зависит от величины поглощенной дозы. 

Единицей поглощенной  дозы принят грей (Гр), равный джоулю на 1 кг (Дж/кг). 1 Гр — это поглощенная  доза излучения, измеряемая энергией в  один джоуль, переданная массе 

в 1 кг облученного  вещества. Несистемной единицей поглощенной дозы является рад. 

Эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, называемый фактором качества Q, приблизительно равен 1 для у-излуче-ния, 20 — для а-излучения. Единицей эквивалентной дозы принят зиверт (Зв), внесистемной единицей является бэр. 

Ионизирующая  способность характеризуется экспозиционной дозой излучения, единицей которой  является кулон на 1 кг. 1 Кл/кг — это  экспозиционная доза излучения, при  котором сопряжается корпускулярная эмиссия на 1 кг сухого атмосферного воздуха, производит в воздухе ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака. Несистемной единицей экспозиционной дозы является рентген (Р). Один рентген — это такая доза излучения, при которой на 1 см3 сухого воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,083 млрд пар ионов, каждый из которых имеет заряд, равный заряду электрона. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 8. Источники  радиации

8.1. Естественные  источники радиации 

Основную часть  облучения население земного шара получает от естественных источников радиации (рис.7). Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды ионизирующие излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.  
 
 

рис. 7  

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой  житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах – соответственно ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровен, герметизация помещений и даже полеты на самолетах – все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации.  

Земные источники  радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения (рис. 7).  

Природа происхождения  и характеристики ионизирующих излучений  космического пространства (ИИ КП) в настоящее время достаточно хорошо изучена. Поэтому ограничимся здесь приведением общих сведений о ИИ КП , существенных при решении вопросов связанных с работой космических аппаратов, предназначенных для функционирования в условиях воздействия ИИ КП в течение длительного времени ( от нескольких месяцев до нескольких десятков лет). Уже сейчас планируется создание КА со сроками активного существования до 10 лет. Естественно, что в таких условиях космический корабль должен проектироваться с таким расчетом, чтобы миними-зировать возможные радиационные воздействия ионизирующих излучений КП.  

Источниками ионизирующих излучений в околоземном пространстве являются:  

- потоки космических  лучей, образованные галактическими  космическими лучами и космическим излучением Солнца, возникающим при интенсивных хромосферных вспышках:  

- радиационные  пояса Земли ( искусственные и  естественные ), расположенные на  расстояниях от нескольких сотен  до нескольких десятков тысяч  километров от поверхности Земли;  

- при полетах к некоторым планетам, например, к Юпитеру, КА может быть подвержен воздействию ИИ радиационных поясов этих планет.  

Остановимся подробнее  на этих ионизирующих излучениях.

8.1.1. Космические  лучи  

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ - это поток элементарных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства, а также рождённое ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами воздуха вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы. Среди первичных Космических лучей различают высокоэнергичные ( вплоть до 1021 Эв ) г а л а к т и ч е с к и е Космические лучи (ГКЛ), приходящие к Земле извне Солнечной системы, и с о л н е ч н ы е Космические лучи (СКЛ) «умеренных энергий ( 1010 эВ), связанные с активностью Солнца.  

Существование Космических лучей было установлено  в 1912 австрийским физиком В. Ф. Гессом по производимой ими ионизации воздуха; возрастание ионизации, с высотой  доказывало их внеземное происхождение. Отклонение их в магнитном поле, которое открыли американский физик Р. Э. Милликен, 1923; Д. В. Скобельцын, 1927; С. Н. Вернов, 1935) доказало, что Космические лучи представляют собой поток заряженных частиц. В 30 — 40-х гг. проводились интенсивные исследования вторичной компоненты Космических лучей с помощью камеры Вильсона, газоразрядных счётчиков, ядерных фотоэмульсий. С 50-х г.г. центр тяжести научных исследований постепенно перемещается в сторону изучения первичных Космических лучей. В 80-е гг. регистрация различных компонент Космических лучей в широком диапазоне энергий проводится наземной мировой сетью станций (на уровне моря, в горах, шахтах), в стратосфере, на ИСЗ, на межпланетных автоматических станциях.  

Космические лучи еще долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, т. к. в самых больших современных ускорителях максимальная достигнутая энергия пока ещё 1014 эВ.  

Состав ГКЛ. Поток  Космических лучей у Земли  равен 1 частице (см2 . с). Более 90% частиц первичных Космических лучей всех энергий составляют протоны, 7% — α- частицы и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов. Такой состав прибл. соответствует средней распространённости элементов во Вселенной с двумя существующими отклонениями: в Космических лучах значительно больше лёгких (Li, Ве, В) и тяжёлых ядер с Z 20. Согласно современным представлениям, «обогащение» Космических лучей тяжёлыми ядрами является следствием более эффективного их ускорения в источнике по сравнению с лёгкими ядрами. А большое количество ядер Li, Ве, В по сравнению со средней распространённостью связано с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды. Из наблюдаемого количества ядер лёгкой группы и изотопного состава ядер Ве получены оценки расстояния, проходимого Космическими лучами в межзвёздной среде ( 3 г/см2), и времени жизни Космических лучей в Галактике ( 3 х 103 лет).  

В составе Космических  лучей имеются также электроны (1%), обнаружение которых (1961) в необходимом количестве экспериментально подтвердило гипотезу о синхротронной природе космического радиоизлучения. Благодаря этому появилась возможность исследовать Космические лучи не только вблизи Земли, но и в удалённых областях Галактики с помощью радиоастрономических методов. Радиоас-трономические данные показали, что Космические лучи более или менее равномерно заполняют всю Галактику.  

Энергетический  спектр. Большое значение для определения  источника Космических лучей  имеет тщательное измерение их спектров. В интервале энергий от 1010 до 1015 эВ интегральный спектр всех частиц ГКЛ описывается степенной функцией с постоянным показателем степени ( — полная энергия), Как видно из этого выражения интенсивность тем больше, чем меньше энергия частицы. Однако при энергиях эВ этот рост замедляется и практически совсем прекращается при эВ (спектр становится плоским). Это значит, что в ГКЛ почти нет частиц очень малых энергий. При больших энергиях в интервале 1015 - 1017 эВ падение интенсивности происходит быстрее, с «Излом» в спектре исчезает при самых высоких энергиях. Спектры ядер различных элементов приблизительно подобны при эВ/нуклон.  

С помощью энергетического  спектра можно вычислить поток  и плотность энергии Космических  лучей в пространстве. Плотность энергии ГКЛ составляет прибл. 10-12 эрг/см з =0,6 эВ/см3, что сравнимо по порядку величины с плотностью всех других видов энергии: гравитационной, магнитной., кинетической энергии движения межзвёздного гaзa.  

Для решения, вопроса  об источнике Космических лучей привлекаются данные астрофизики и радиоастрономии. Как показывают оценки, наблюдаемую величину плотности энергии Космические лучи могут обеспечить вспышки сверхновых звёзд, которые происходят в нашей Галактике не реже одного раза в сто лет, и образующиеся при этом пульсары. Отсюда можно предполагать, что Космические лучи имеют галактическое (а не метагалактическое) происхождение. Ускорение частиц до сверхвысоких энергий может происходить при столкновении с движущимися нерегулярными и неоднородными межзвёздными магнитными полями. Химический состав Космических лучей формируется при прохождении ими межзвёздной среды. За счёт длительной диффузии в Галактике в межзвёздных магнитных полях происходит перемешивание Космических лучей от различных источников и достигается наблюдаемая изотропия (0,1%) космического излучения.  

Радиационный  фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации (рис. 7). Космические  лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.  

Нет такого места  на Земле, куда бы не падал этот невидимый  космический душ. Но одни участки  земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи). Существеннее, однако, то, что уровень облучения растет с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана.  
 

При перелете пассажир обычного турбореактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв, а пассажир сверхзвукового самолета – на 20% меньше, хотя подвергается более интенсивному облучению. Это объясняется тем, что во втором случае перелет занимает гораздо меньше времени (рис. 8). Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел-Зв.  
 
 

рис. 8  

Люди, живущие  на уровне моря, получают в среднем  из-за космических лучей эффективную  эквивалентную дозу около 300 микрозивертов (миллионных долей зиверта) в год; для людей же, живущих выше 2000 м над уровнем моря, это величина в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению, подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота, на которой расположены человеческие поселения: деревни шерпов на склонах Эвереста) до 12000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз и продолжает расти при дальнейшем увеличении высоты до 20000 м (максимальная высота полета сверхзвуковых реактивных самолетов) и выше (рис. 9).  
 
 

рис. 9

8.1.2. Радиационные  пояса земли 

Наибольшую серьезную  опасность представляют естественные и искусственные радиационные пояса  Земли.  

Естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ) представляют собой внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, альфа-частицы и ядра более тяжёлых химических элементов), обладающие высокой кинетической энергией от десятков КэВ до сотен МэВ. Своим существованием эти пояса Земли обязаны наличию у Земли магнитного поля. Магнитное поле Земли захватывает падающие в него заряженные частицы, так что земная магнитосфера оказывается заполненной электронами, протонами, а также ионами разных энергий, совокупность которых и составляет радиационные пояса. Выходу заряженных частиц из радиационного поля Земли мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц магнитную ловушку. Схема строения магнитосферы в общих чертах приведена на рис. 8а.