cosmic-rays-effect

Comments

polina's picture

Το 2015 συμπληρώνονται 103 χρόνια από την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα από τον αυστριακό φυσικό Victor Hess (1883-1964), οι οποίες προέρχονται από τα βάθη του διαστήματος. Του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1936. Το έργο του θα εορταστεί με μια σειρά συναντήσεων σε όλο τον κόσμο.

Ο Victor Hess απέδειξε ότι η κοσμική ακτινοβολία είναι μια ακτινοβολία που προκαλεί τον ιονισμό του αέρα. Στα πειράματα που έκανε την διετία 1911-1912 με αερόστατα γεμάτα πειραματικά όργανα και σε ύψος 5.000 μέτρα, ανακάλυψε πως η ένταση της άγνωστης ακτινοβολίας αυξάνεται σημαντικά με το ύψος και διατηρούσε την ίδια περίπου ένταση ημέρα και νύχτα. Αφού απέκλεισε το ενδεχόμενο να προέρχεται η κοσμική ακτινοβολία από τον Ήλιο, τα πειράματα τον οδήγησαν αφ’ ενός στον εντοπισμό των σωματιδίων που την συνθέτουν και αφ’ ετέρου στον τρόπο που η ύλη καταστρέφεται και δημιουργείται.

Κοσμική ακτινοβολία

Όπως γνωρίζουμε με ένα ηλεκτροσκόπιο μπορούμε να ανιχνεύσουμε και να μετρήσουμε ηλεκτρικά φορτία. Τα φύλλα, που περιέχουν ομώνυμα φορτία, απωθούνται λόγω των απωστικών δυνάμεων. Είναι όμως δυνατόν, να εκφορτιστούν τα φύλλα αν μέσα στο δοχείο εισέλθει μια ακτινοβολία που παράγει ιόντα. Αυτά τα ιόντα απομακρύνουν το ηλεκτρικό φορτίο και έτσι τα φύλλα, σταδιακά, πλησιάζουν και πάλι.

Οι φυσικοί λοιπόν είχαν παρατηρήσει, στις αρχές του αιώνα μας, ότι αν έχουμε ένα ηλεκτροσκόπιο φύλλων χρυσού (μέσα σε ένα ερμητικά κλειστό δοχείο) και τα φορτίσουμε, είναι αδύνατο να παραμείνουν τα φύλλα του χρυσού μονίμως διαχωρισμένα, ακόμη και όταν δεν υπήρχε στο περιβάλλον καμία γνωστή πηγή ακτινοβολίας. Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι στο περιβάλλον υπήρχε κάποια κρυφή ακτινοβολία που προερχόταν από μια άγνωστη πηγή.

Ο Victor Franz Hess στην αρχή πίστευε ότι η πηγή αυτή πρέπει να βρίσκεται κάπου στο έδαφος. Έτσι, το 1911 , τοποθέτησε ηλεκτροσκόπια σε αερόστατα, με σκοπό να τα απομακρύνει από την ακτίνα δράσεως της άγνωστης πηγής.

Ερεύνησε λοιπόν λεπτομερώς τον τρόπο με τον οποίο τέτοιες ακτίνες εξασθενίζουν όταν διέρχονται μέσω πυκνών στρωμάτων του αέρα. Με την πειραματική ικανότητα του ο Hess τελειοποίησε τον πειραματικό του εξοπλισμό, ώστε να μειώσει τα σφάλματά του. Έκανε λοιπόν ο Hess μετρήσεις σε διάφορα ύψη, με μπαλόνια το 1911 και 1912, μέχρι και 5.300 μ.

Οι συστηματικές μετρήσεις του εμφάνιζαν μια μείωση στον ιονισμό μέχρι τα 1.000 μ, αλλά κατόπιν η ακτινοβολία αυξανόταν, έτσι ώστε στα 5.000 μ η ακτινοβολία ήταν δύο φορές μεγαλύτερης έντασης απ’ ό,τι στη γήινη επιφάνεια. Μάλιστα μια μέτρηση, που έγινε από άλλους φυσικούς, έδειξε ότι σε ύψος 9.300 μ η ακτινοβολία είναι περίπου 40 φορές μεγαλύτερης έντασης απ’ ό,τι στη γη.

Πραγματοποίησε δέκα τέτοιες πτήσεις και κατάλαβε τελικά, προς μεγάλη του έκπληξη, ότι στα μεγάλα ύψη, τα φύλλα του χρυσού στα ηλεκτροσκόπια ενώνονται οκτώ φορές πιο γρήγορα από ό, τι στο έδαφος. Το πείραμα αυτό έδειχνε ότι η ακτινοβολία, τελικά, έρχεται από ψηλά, από το διάστημα ή από το Σύμπαν εξαιρετικά διεισδυτική, που προέρχεται από το διάστημα και εισέρχεται στη γήινη ατμόσφαιρα. Αυτή η ακτινοβολία που έχει βρεθεί να προέρχεται από όλες τις πλευρές του διαστήματος έχει ονομαστεί κοσμική ακτινοβολία από τον Ρόμπερτ Μίλλικαν (1868-1953) .

Οι νέες ακτίνες ξεπέρασαν σε ισχύ έντασης και διείσδυσης όλες τις μέχρι τότε γνωστές ακτίνες. Διαπερνούσαν πλάκες μολύβδου πάχους μέχρι κι ένα μέτρο. Ανιχνεύθηκαν δε στο πυθμένα των λιμνών βάθους 500 μ.

Το ζήτημα όμως που απασχολούσε τους φυσικούς ήταν: Από πού προέρχεται αυτή η ακτινοβολία;

Κατά τη διάρκεια των πρώτων μετρήσεων με μπαλόνια ο Hess παρατήρησε ότι δεν υπήρχε καμία ιδιαίτερη διαφορά μεταξύ νύχτας και μέρας, και καμία ειδική επίδραση δεν ανιχνεύθηκε κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Επομένως η κοσμική ακτινοβολία δεν θα μπορούσε να δημιουργηθεί από τον Ήλιο.

Αργότερα ο Hess έκανε εξαιρετικά ευαίσθητες συστηματικές μετρήσεις των ακτίνων και βρήκε ότι ποίκιλαν στην ίδια τοποθεσία κατά τη διάρκεια της καθημερινής περιστροφής της Γης, σε σχέση όμως με κάποια σταθερή θέση στον ουρανό. Η μεταβολή ήταν πολύ μικρή, μόνο 0.1%,

Εν τω μεταξύ, ο Compton (Nobel φυσικής 1927) έδειξε θεωρητικά ότι αυτή η αλλαγή μπορεί να οφειλόταν στην κίνηση του Ήλίου και επομένως και της Γης μέσα στο διάστημα. Όντας μέρος του Γαλαξία, το ηλιακό μας σύστημα κι αυτό στην περιστροφή του Γαλαξία. Έτσι και η Γη συμμετέχει σε αυτή την κίνηση με ταχύτητα περίπου 300 km/sec. Η γήινη κίνηση οδηγεί προφανώς σε μια αύξηση στην κοσμική ακτινοβολία που δέχεται, από την πλευρά προς την οποία η Γη κινείται, και σε μια εξασθένιση από την άλλη πλευρά. Οι υπολογισμοί του Compton ήταν σωστοί, ο οποίος έτσι συμπέρανε ότι η κοσμική ακτινοβολία δεν προέρχεται από το Γαλαξία μας, αλλά από αστρικά συστήματα αρκετά πέραν αυτού.

Έτσι, το 1912 χάρις στις εργασίες του Hess, κατόρθωσαν οι φυσικοί να ξεχωρίσουν τον ιονισμό που προκαλούσαν στον αέρα διάφορα ραδιενεργά υλικά, και τα οποία υπάρχουν στη Γη, από εκείνον που προκαλούσαν διεισδυτικές ακτινοβολίες εξωγήινης προέλευσης.

Συγχρόνως με τις εργασίες αυτές, άλλες εργασίες στη Φυσική και τη Γεωφυσική βοήθησαν να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν ολόκληρο ήταν "διαποτισμένο" από μία ισοτροπική ακτινοβολία, για την οποία υπήρχαν υπόνοιες ότι αποτελείται από ηλεκτρόνια και ακτίνες γ με μεγάλη ενέργεια.

Την επόμενη δεκαετία, 1920-1930, ο Robert Millikan, απέδειξε πως η ατμόσφαιρα απορροφά τις πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες (που σήμερα γνωρίζουμε πως αποτελούνται από πρωτόνια και άλλους γυμνούς πυρήνες στοιχείων, λίγα ηλεκτρόνια και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ευρείας περιοχής του Η/Μ φάσματος. Οι αντιδράσεις των σωματιδίων αυτών με τα άτομα και ιόντα του αέρα παράγουν δευτερογενή ακτινοβολία με πολύ μικρότερη ενέργεια όμως και διαφορετική σύνθεση, κυρίως σωματίδια παράξενα, άγνωστα στους περισσότερους, π.χ. βραχύβια υποατομικά σωματίδια, που μετατρέπονται σε άλλα πάλι βραχύβια σωματίδια, π.χ. μεσόνια, πιόνια, μιόνια κ.λπ. Με την ανακάλυψη πως πολλά μεσόνια π+, π– και π0 , παράγονται σε πυρηνικές κρούσεις υψηλής ενέργειας βρέθηκε ο χαμένος κρίκος για την ερμηνεία της μεγάλης ροής των φωτονίων και ηλεκτρονίων της ατμόσφαιρας.

Είχαμε έτσι την ευκαιρία να παρατηρήσουμε άγνωστα σωματίδια, στο πρώτο "εργοστάσιο" υποατομικών σωματιδίων, προτού φτιάξουμε το CERN, το Fermilab και άλλους επιταχυντές υποατομικών σωματιδίων.

Αργότερα ανακαλύφθηκε πως στον γήϊνο ισημερινό, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας ήταν μικρότερη από την περιοχή των πόλων, λόγω της δυσκολίας που συναντούν τα φορτισμένα άτομα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ως γνωστόν στους Πόλους το μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο από τον Ισημερινό, και εισέρχονται πιο εύκολα.

Κατά την δεκαετία του 1930 ανακάλυψαν οι φυσικοί μια "μαλακή" και μια "σκληρή" συνιστώσα των ακτίνων. Οι "σκληρές" συνιστώσες έχουν ενέργεια μέχρι και 1016 eV. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών, υπονοεί πως κάπου στο σύμπαν, υπάρχουν δυνάμεις που μπορούν να μεταδώσουν σε ένα απλό πρωτόνιο 100 εκατομμύρια φορές την ενέργεια, που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή της Γης.

Μετά το 1950, ο κόσμος εισήλθε στη διαστημική εποχή, την εποχή του Σπούτνικ, των Pioneer, Mariner, Mars, Venera κ.λπ. Οι φυσικοί είχαν λοιπόν την ευκαιρία, να παρατηρήσουν την πρωτογενή κοσμική ακτινοβολία, χωρίς τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας.

Το 1961, πριν περίπου πενήντα χρόνια, βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία ηλεκτρόνια, σε αναλογία 2 προς 100 πρωτόνια, κι έτσι επιβεβαιώθηκαν οι θεωρίες για την ύπαρξη τους. Μετά βρέθηκε πως η ποσότητα των ηλεκτρονίων περιέχει και ποζιτρόνια σε αναλογία 10%, που παράγονται από τις συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας και πυρήνων υδρογόνου. Η μαρτυρία όμως για τα ηλεκτρόνια είχε προκύψει από την παρατήρηση της ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων που προερχόταν από ολόκληρο το Γαλαξία.

Τα ραδιοκύματα αυτά ερμηνεύτηκαν με την παραδοχή πως ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, πλησίον της ταχύτητας του φωτός, μέσα σε μαγνητικά πεδία του Γαλαξία μας, παράγουν την παρατηρούμενη ακτινοβολία ραδιοκυμάτων που αποτελούν την γνωστή ακτινοβολία "σύγχροτρον".

polina's picture

Οι κοσμικές ακτίνες από το γαλαξία μας παίζουν σπουδαίο ρόλο στον έλεγχο της συνολικής κάλυψης από νέφη πάνω από τη Γη, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες ερευνητών στο Δανικό Διαστημικό Ινστιτούτο της Copenhagen.
Σύμφωνα με τον Henrik Svensmark του ανωτέρου Ινστιτούτου οι διεργασίες στο βάθος του διαστήματος μπορεί να επηρεάζουν το γήινο κλίμα και πως κατά τον τελευταίο ενδεκαετή κύκλο δραστηριότητας του Ηλίου, η κάλυψη της γης με νέφη ήταν συσχετισμένη περισσότερο με τη ροή κοσμικών ακτίνων προερχομένων από τον υπόλοιπο γαλαξία παρά από την ακτινοβολία του Ηλίου.

Οι κοσμικές γαλακτικές ακτίνες (Galactic cosmic rays) περιέχουν κυρίως ενεργητικά πρωτόνια που εκπέμπονται από τα άστρα του γαλαξία μας, και αποτελούν την κύρια πηγή της ιονόσφαιρας που επιδρά στον σχηματισμό των νεφών. Επειδή το στρώμα των νεφών έχει μια αλληλεπίδραση και με την ηλιακή ακτινοβολία και με την θερμότητα της ατμόσφαιρας, ο συσχετισμός των κοσμικών γαλαξιακών ακτίνων και των νεφών χαμηλής στάθμης δηλώνει μια σύνδεση μεταξύ των κλιματικών αλλαγών του πλανήτη μας και της ροής των κοσμικών ακτίνων.
Προφανώς το ηλιακό μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με τις κοσμικές ακτίνες: όταν είναι ισχυρό, το πεδίο του ήλιου δεσμεύει περισσότερες κοσμικές ακτίνες, οι οποίες ιονίζουν μόρια του αέρα στη χαμηλότερη ατμόσφαιρα και κατ' αυτό τον τρόπο πιστεύεται ότι συμβάλλουν στην κάλυψη της γης με νέφη καθώς και σε άλλα φαινόμενα σχετικά με τον καιρό. Δηλαδή οι έντονες ηλιακές δραστηριότητες, οδηγούν σε ισχυρούς ηλιακούς ανέμους που προστατεύουν την ατμόσφαιρα από νέφη που δημιουργούνται λόγω των κοσμικών ακτίνων.

Από την άλλη μεριά, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Leeds (Μεγάλη Βρεττανία), παρατήρησαν μια άμεση και ταχύτατη σύνδεση μεταξύ της ατμοσφαιρικής χημείας και της υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο. Κατά τη διάρκεια του 97% ηλιακών εκλείψεων πάνω από το Ascot της Αγγλίας, η τοπική συγκέντρωση του όζοντος έπεσε έως και 60% των συνηθισμένων ημερήσιων επιπέδων, και γρήγορα επέστρεψαν στα συνηθισμένα επίπεδα μετά το τέλος των γεγονότων (εκλείψεων). Η μελέτη έδειξε τη δυναμική σύνδεση μεταξύ ηλιακού φωτός και της φωτοχημείας των αερίων της ατμόσφαιρας που μπορεί να συνεισφέρει στην συνολική θέρμανση του πλανήτη μας, τον σχηματισμό του smog (αιθαλομίχλης) και την όξινη βροχή.

Οι κοσμικές ακτίνες επηρεάζουν το κλίμα

Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων δημιουργούνται στο απώτερο διάστημα και κατά τις ηλιακές εκλάμψεις και μπορεί να έχουν μία μικρή αλλά σημαντική επίδραση στον καιρό, αυξάνοντας τις πιθανότητες ενός συννεφιασμένου ουρανού κατά σχεδόν 20%.

Ο Gites Harrison και ο David Stephertson από το Πανεπιστήμιο του Reading της Μ. Βρετανίας, εξέτασαν μετρήσεις 50 ετών της ηλιακής ακτινοβολίας σε διάφορα σημεία σε ολόκληρη τη χώρα, γεγονός που τους έδωσε την ευκαιρία να υπολογίσουν τις καθημερινές μεταβολές στη νέφωση. Συγκρίνοντας αυτά τα δεδομένα με τον αριθμό των νετρονίων, που είναι ενδεικτικός της δραστηριότητας των κοσμικών ακτίνων, για την ίδια περίοδο, οι επιστήμονες απέδειξαν μια αναμφίβολη σχέση μεταξύ των κοσμικών ακτίνων και των νεφών.

Οι πιθανότητες να επικρατεί συννεφιά κάποια μέρα αυξάνονται κατά 20% περίπου όταν υπάρχει αύξηση της ροής των κοσμικών σωματιδίων. Όταν οι κοσμικές ακτίνες προσπίπτουν στην ατμόσφαιρα, παράγουν φορτισμένα σωματίδια τα οποία φαίνεται να ενθαρρύνουν την ανάπτυξη των σταγονιδίων των νεφών. Σε σύγκριση με τα αέρια του φαινομένου του θερμοκηπίου, η επίδραση των κοσμικών ακτίνων στο κλίμα είναι μικρή. Το γεγονός αυτό όμως θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση ορισμένων από τις πιο μυστηριώδεις κλιματικές αλλαγές που έχουν σημειωθεί στο παρελθόν.

polina's picture

Η ακτινοβολία επηρεάζει τις ηλεκτρονικές και άλλες τεχνολογικές συσκευές που είναι εκτεθειμένες σ΄ αυτή καθώς επίσης και τα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Με τον όρο ακτινοβολία εννοούμε εδώ ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φωτόνια), ουδέτερα (νετρόνια) και ηλεκτρικά φορτισμένα ενεργητικά σωματίδια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, πυρήνες ηλίου που ονομάζονται επίσης σωμάτια-α και ιόντα άλλων χημικών στοιχειών τα οποία από εδώ και πέρα θα τα αναφέρουμε ως βαρέα ιόντα. Η αλληλεπίδραση με την ακτινοβολία είναι δυνατόν να αλλάξει τη σύσταση της ατμόσφαιρας. Ο ιονισμός επηρεάζει και τα αεροσκάφη γιατί επηρεάζει τις συνθήκες διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η συνεχής ροή κοσμικής ακτινοβολίας που προέρχεται από τον χώρο εκτός ηλιακού συστήματος καθώς και η ροή που προέρχεται από τον Ήλιο επηρεάζουν την τεχνολογία και τη ζωή εάν αυτή δεν ήταν προστατευμένη από το παχύ στρώμα της ατμόσφαιρας και το μαγνητικό πεδίο της Γης. Με τη μεταβολή των συνθηκών του διαστημικού καιρού δημιουργείται μια πληθώρα διαφορετικών κινδύνων που προέρχονται από την ακτινοβολία.

Τα σωματίδια που απαρτίζουν την ακτινοβολία του διαστήματος μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: σε σωματίδια που παγιδεύονται από πλανητικές μαγνητόσφαιρες σε ζώνες ακτινοβολίας και σε εξωπλανητικά σωματίδια τα οποία περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια, πρωτόνια και βαρέα ιόντα όλων των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Η εξωπλανητική συνιστώσα αποτελείται από σωματίδια εξωγαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας και ηλιακά ενεργητικά σωματίδια τα οποία συνδέονται με ηλιακές εκλάμψεις και στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας. Στη συνέχεια εξετάζεται η επίδρασή τους στην τεχνολογία και στους ζωντανούς οργανισμούς. Αναλύονται τα υπολογιστικά μοντέλα που είναι διαθέσιμα και ο ρόλος των μετρητών νετρονίων για την παρακολούθηση και πρόβλεψη της εξωπλανητικής ακτινοβολίας.

Τεχνολογικές επιπτώσεις

Τα ενεργητικά σωματίδια μπορούν να επιδράσουν άμεσα στον εξοπλισμό των διαστημοπλοίων ακόμα και στα αεροπλάνα με δύο τρόπους:

Τα ενεργητικά σωματίδια μπορούν να ιονίσουν τα άτομα μετατοπίζοντας τα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Για παράδειγμα ηλιακά πάνελ σε διαστημόπλοια τα οποία εξέρχονται από την γήινη ατμόσφαιρα παύουν να λειτουργούν εξαιτίας των βλαβών που προέρχονται από τα ενεργητικά σωματίδια. Ένα γεγονός μεγάλης κλίμακας που σχετίζεται με ενεργητικά ηλιακά σωματίδια μπορεί σε διάστημα λίγων ημερών να προκαλέσει βλάβες ίδιας έκτασης με αυτές που προκαλούνται από τη χρήση διάρκειας ενός έτους κάτω από την επίδραση μόνο γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων. Οι μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του τεφλόν μπορούν επίσης να αλλάξουν όταν το υλικό έχει εκτεθεί σε μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας καθώς επίσης και σε χρώμα που χρησιμοποιείται για θερμική ρύθμιση. Όλα αυτά μειώνουν το χρόνο ζωής του εξοπλισμού.

Στα single event effects (SEE) η βλάβη προέρχεται από ένα μεμονωμένο ιονίζον σωματίδιο το οποίο διαπερνά μια μικροηλεκτρονική συσκευή. Η δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων – οπών που προέρχεται από το προσπίπτον ενεργητικό σωματίδιο μπορεί να επηρεάσει την συνήθη απόκριση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Single event upsets (SEU) παράγονται κυρίως από βαρέα ιόντα από πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες ή από δευτερογενείς κοσμικές ακτίνες που δημιουργούνται από ένα πρωτόνιο υψηλής ενέργειας. Μπορούν να προκαλέσουν εσφαλμένες εντολές σε υπολογιστές πάνω σε διαστημόπλοια ενώ τα latch-ups’ είναι ανώμαλες καταστάσεις ηλεκτρονικών συσκευών όπου αυτές πλέον δεν αποκρίνονται στα σήματα εισόδου. Η χειρότερη περίπτωση του SEEs είναι τα burn outs, δηλαδή η μόνιμη και μη αναστρέψιμη βλάβη του κυκλώματος από παρασιτικές ροές ρεύματος. Ένας λόγος για την αυξημένη ευαισθησία των συσκευών αποτελεί το γεγονός ότι είναι πολύ μικρές σε μέγεθος με αποτέλεσμα ένα μεμονωμένο φορτίο να μπορεί να αποδώσει αρκετή ενέργεια ώστε να προκληθεί SEE.

Τα ενεργητικά ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να προκαλέσουν διάφορες βλάβες όταν εισέλθουν μέσα στο διαστημόπλοιο και αποδώσουν την ενέργεια και το ηλεκτρικό τους φορτίο. Κάποια στιγμή αυτό θα προκαλέσει μια αποφόρτιση η οποία εμποδίζει την λειτουργία των οργάνων και των ανιχνευτών, δημιουργεί εσφαλμένες ενδείξεις και οδηγεί στην διάβρωση των υλικών. Το βάθος της διείσδυσης καθώς και η περιοχή που δημιουργούνται τα προβλήματα εξαρτάται από την ενέργεια του σωματιδίου.

Προκειμένου να αποφευχθούν τα παραπάνω προβλήματα τα υλικά και οι συσκευές κατασκευάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ανθεκτικές στους διάφορους τύπους βλαβών που μπορεί να προκληθούν από σωματίδια. Η ανθεκτικότητα που επιδιώκεται εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται η ένταση των σωματιδίων καθώς και από τον αριθμό των ηλιακών γεγονότων, δηλαδή από τη φάση του ηλιακού του κύκλου η ακριβής πρόβλεψη του οποίου αν είναι δυνατή είναι πολύ χρήσιμη για τον καθορισμό των προδιαγραφών που απαιτούνται για συγκεκριμένους δορυφόρους.

Εφόσον όμως ο διαστημικός καιρός και ιδιαίτερα η ροή των σωματιδίων μεταβάλλονται υπάρχουν περίοδοι όπου τέτοιες επιχειρήσεις πρέπει να αποφεύγονται. Για παράδειγμα η εκτόξευση ενός αεροσκάφους ή η λειτουργία διαστημικών οχημάτων σε περιόδους έντονων γεγονότων που σχετίζονται με ηλιακά ενεργητικά σωματίδια ειδικότερα όταν οι επιχειρήσεις αυτές πραγματοποιούνται σε τροχιές που περνάνε από τους πόλους.

Η λειτουργία αεροσκαφών σε διαδρομές που περνάνε από τους πόλους επηρεάζεται επίσης από ενεργητικά σωματίδια καθώς επίσης και από τα δευτερογενή σωματίδια που αυτά δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα της Γης γιατί τα σωματίδια αυτά μπορούν να προκαλέσουν μεταβολές στην κατάσταση της ατμόσφαιρας – ειδικότερα σ' αυτή της πολικής ατμόσφαιρας η οποία προστατεύεται λιγότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τα πολυάριθμα πρωτόνια χαμηλών σχετικά ενεργειών τα οποία μπορούν αν διεισδύσουν μέσα στην ατμόσφαιρα μέχρι και σε ύψος 50–70 χιλιόμετρα από το έδαφος ιονίζουν την πολική ιονόσφαιρα. Η επίδραση αυτή ονομάζεται polar cap absorption (PCA), γιατί ο αυξημένος ιονισμός δημιουργεί μια αυξημένη απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε χαμηλές συχνότητες όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με αεροπλάνα. Τα πολιτικά αεροπλάνα κατά την διάρκεια έντονων γεγονότων (Ιανουάριος 2005) αλλάζουν την πορεία τους και πετούν σε χαμηλότερα ύψη με σκοπό να επανακτήσουν την δυνατότητα επικοινωνίας με τους σταθμούς ελέγχου.

Η μαγνητόσφαιρα της Γης δεν αποτελεί πάντα ασπίδα προστασίας αλλά κρύβει και κινδύνους. Ο ηλιακός άνεμος αποδίδει συνεχώς ενέργεια στο σύστημα η οποία απελευθερώνεται με την μορφή εκρηκτικών γεγονότων τα οποία ονομάζονται μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες. Η ροή ενεργητικών σωματιδίων που δημιουργείται κατά την διάρκεια των γεγονότων αυτών μέσα στην μαγνητόσφαιρα δημιουργεί φόρτιση των διαστημοπλοίων στους δορυφόρους επικοινωνίας. Αυτά τα γεγονότα συμβαίνουν υπό συνθήκες ήσυχου Ηλίου όταν τα ταχέως κινούμενα ρεύματα ηλιακού ανέμου από τις στεμματικές οπές είναι ιδιαιτέρως ικανά να μεταφέρουν ενέργεια στην μαγνητόσφαιρα της Γης.

Βιολογικές επιπτώσεις

Τα ενεργητικά σωματίδια μπορούν να αποτελέσουν πιθανό κίνδυνο για την υγεία, αφού προκαλούν βλάβες στα κύτταρα. Όταν ένα ενεργητικό σωματίδιο προσπίπτει σε ένα κύτταρο θα αποδώσει μέρος της ενέργειάς του αλληλεπιδρώντας με τα ηλεκτρόνια των μορίων που αποτελούν το κύτταρο. Η συνέπεια αυτής της αλληλεπίδρασης εξαρτάται από το είδος και την ενέργεια του ενεργητικού σωματιδίου (πρωτόνιο, ιόν, ηλεκτρόνιο, νετρόνιο, φωτόνιο). Οποιαδήποτε βλάβη προκληθεί στα μόρια, ειδικά το DNA, μπορεί να έχει μελλοντικές επιπτώσεις στο κύτταρο, όπως να επηρεάσει την ικανότητα να διαιρείται και να διατηρεί την δομή του. Η δυσλειτουργία των κυττάρων μπορεί με την σειρά της να επηρεάσει τον ιστό και τα όργανα, στα οποία ανήκουν.

Η λειτουργία ενός κυττάρου που έχει υποστεί βλάβη είναι δυνατόν να αποκατασταθεί από μόνη της. Εάν αυτό δεν συμβεί το κύτταρο πεθαίνει. Εάν πεθαίνουν πολλά κύτταρα, το όργανο παύει να λειτουργεί σωστά.
Εάν η αποκατάσταση δεν ολοκληρωθεί, το κύτταρο μπορεί να καταφέρει να διαιρεθεί κάποιες φορές, αλλά μπορεί να μεταφέρει ορισμένες βλάβες στα θυγατρικά κύτταρα. Η δυσλειτουργία πολλών θυγατρικών κυττάρων μπορεί να προκαλέσει σημαντική ή και οριστική βλάβη του οργάνου. Κύτταρα που έχουν υποστεί βλάβες και επιζούν αποτελούν πρόδρομο καρκινικών κυττάρων.

Η κοσμική ακτινοβολία είναι υπεύθυνη για δύο τύπους βλαβών στους ζωντανούς οργανισμούς:

Υψηλές δόσεις ακτινοβολίας αποτελούν άμεση απειλή για την υγεία ή ακόμα και την ζωή. Αυτός είναι ένας κίνδυνος που αφορά στις επανδρωμένες έξω από την γήινη μαγνητόσφαιρα. Τα γεγονότα ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων αποτελούν μεγάλη απειλή για τις πτήσεις στην Σελήνη ή τον Άρη. Το γεγονός της 4ης Αυγούστου 1972 συνέβη κατά την περίοδο των πτήσεων της αποστολής Απόλλων στην Σελήνη. Οι συνέπειες θα ήταν τραγικές αν ήταν σε εξέλιξη κάποια πτήση. Γι αυτό η ασφάλεια των αστροναυτών είναι θέμα μείζονος σημασίας για μελλοντικές επανδρωμένες πτήσεις.
Οι μικρές δόσεις ακτινοβολίας μπορεί να μην έχουν άμεσες και παρατηρήσιμες επιπτώσεις αλλά συνδέονται με κινδύνους που εκδηλώνονται μακροπρόθεσμα. Τέτοιους κινδύνους αντιμετωπίζουν τα πληρώματα των διαστημικών αποστολών ακόμα και αεροσκαφών που πραγματοποιούν συχνά ταξίδια σε περιοχές της γήινης ατμόσφαιρας όπου είναι εκτεθειμένα σε υψηλές δόσεις ακτινοβολίας, όπως για παράδειγμα οι πολικές περιοχές.

Ο χάρτης δείχνει τις δόσεις ακτινοβολίας όπως μετρήθηκαν στον ρωσικό διαστημικό σταθμό MIR μέσα στα πλαίσια του πειράματος Nausicaa που πραγματοποιήθηκε από την French Space Agency CNES κατά την διάρκεια έκθεσης σε αυξημένη ακτινοβολία από ηλιακά ενεργητικά σωματίδια τον Οκτώβριο 1989. Η διάμετρος του κύκλου μας δίνει το ρυθμό δόσης. Ο MIR, η τροχιά του οποίου βρίσκεται σε ύψος 420 km και έχει κλίση 51° σε σχέση με τον ισημερινό της Γης, περνά από τις πολικές περιοχές πάνω από τον Καναδά και τον Ειρηνικό ωκεανό νότια της Αυστραλίας. Οι δόσεις ακτινοβολίας που ελήφθησαν εκεί όπως φαίνεται από τις διαμέτρους των κύκλων είναι αρκετά υψηλότερες σε σχέση με εκείνες που ελήφθησαν σε άλλα πλάτη με εξαίρεση την περιοχή πάνω από τον νότιο Ατλαντικό ωκεανό όπου το μαγνητικό πεδίο είναι ασθενές. Εκεί, οι αυξημένες δόσεις ακτινοβολίας δεν οφείλονται σε ηλιακά γεγονότα αλλά σε σωματίδια που κινούνται μέσα στο μαγνητικό πεδίο της Γης.
Ραδιενεργές δόσεις λόγω κοσμικών ακτίνων

Οι επιδράσεις στην υγεία που προκαλούνται από έκθεση σε ακτινοβολία εξαρτώνται από το ποσό ενέργειας που απορροφάται από τον ιστό (όσο πιο ισχυρή είναι η ροή των σωματιδίων τόσο περισσότερη ενέργεια εναποτίθεται), καθώς επίσης και από το είδος των σωματιδίων, την ενέργειά τους και το συγκεκριμένο όργανο. Για παράδειγμα οι ακτίνες Χ αποδίδουν ενέργεια σε ένα δεδομένο όγκο με σχετικά ομοιόμορφο τρόπο, ενώ τα νετρόνια αποθέτουν την ενέργειά τους πιο εντοπισμένα αναλόγως με τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις στους ιστούς. Τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν οργανικές βλάβες πιο εύκολα απ’ ότι τα πρωτόνια υψηλής ενέργειας, τα ηλεκτρόνια ή οι ακτίνες γ.

Η ακτινοβολία που λαμβάνουν τα πληρώματα διαστημικών σταθμών και αεροσκαφών πρέπει να παρακολουθείται γιατί η έκθεση σε χαμηλής ενέργειας ακτινοβολίας είναι αθροιστική. Η μονάδα που χρησιμοποιείται για να μετρήσει την αθροιστική επίδραση εκτεταμένης έκθεσης σε ακτινοβολία σχετικά χαμηλής έντασης είναι το Sievert (Rolf Sievert, Σουηδός Φυσικός 1896-1966). Εκφράζει το σύνολο της ακτινοβολίας που έχει απορροφηθεί από διάφορα όργανα του οργανισμού με συντελεστές βάρους που αφορούν 1) στο είδος του σωματιδίου (μεγαλύτεροι συντελεστές για σωματίδια άλφα και βαρείς πυρήνες, νετρόνια, πρωτόνια και τέλος φωτόνια και ηλεκτρόνια) και 2) το όργανο που έχει εκτεθεί στην ακτινοβολία προκειμένου να ληφθεί υπόψη η ευαισθησία του σε ιονίζουσες ακτινοβολίες.

Παραδείγματα δόσεων ακτινοβολίας

Η συνήθης δόση που οφείλεται στην δραστηριότητα της Γης είναι κατά μέσο όρο 2.4 mSv σε ένα χρόνο με αρκετά μεγάλες διαφορές μεταξύ διαφόρων χωρών. Στο επίπεδο της θάλασσας η συνεισφορά των κοσμικών ακτίνων είναι 0.3 mSv.
Η δόση ακτινοβολίας που λαμβάνεται κατά την διάρκεια ακτινογραφίας ποικίλει από 0.1 έως μερικές δεκάδες mSv, ανάλογα με το είδος της ακτινογραφίας.
Η τυπική δόση που λαμβάνεται κατά την διάρκεια ενός υπερατλαντικού ταξιδιού (Ευρώπη – Βόρεια Αμερική) από τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες είναι 0.05 mSv. Μπορεί να αυξηθεί σημαντικά από γεγονότα ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων (έχει παρατηρηθεί έως και 10πλάσια αύξηση σε περιπτώσεις μέγιστης έκθεσης σε ένα γεγονός, αλλά αυτά τα γεγονότα είναι αρκετά σπάνια και σύντομα έτσι ώστε να μην μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά την ετήσια δόση. Πληρώματα αεροσκαφών και άτομα που ταξιδεύουν συχνά μπορούν να συσσωρεύσουν δόσεις μερικών mSv ετησίως.
Οι αεροπορικές εταιρείες δεσμεύονται πλέον από τον νόμο να ελέγχουν ότι τα μέλη του πληρώματος δεν λαμβάνουν, όπως και κάθε εργαζόμενος, δόση υψηλότερη από 100 mSv μέσα σε 5 χρόνια και ότι η μέγιστη ετήσια δόση δεν ξεπερνά τα 50 mSv. Σε περίπτωση εγκυμοσύνης η δόση δεν πρέπει να ξεπερνά το 1 mSv μέχρι το τέλος της εγκυμοσύνης αφού το έμβρυο είναι περισσότερο εκτεθειμένο στην ακτινοβολία.
Ο μέγιστος ρυθμός δόσης ακτινοβολίας στο πείραμα MIR/Nausicaa είναι 2 mSv/h και παριστάνεται με τον μεγάλο κύκλο στον χάρτη.
Μια διαστημική αποστολή στον Άρη συνδέεται με δόση ακτινοβολίας γύρω στο 1 Sv που οφείλεται σε γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες. Αυτό δεν περιλαμβάνει τις δόσεις από μεγάλα γεγονότα ηλιακών σωματιδίων οι οποίες μπορεί να είναι αρκετά υψηλότερες ακόμα και θανατηφόρες εάν δεν έχουν ληφθεί κατάλληλα μέτρα προστασίας.

Αξίζει να σημειώσουμε ότι επειδή η κλίμακα Sievert προσδιορίζει τον κίνδυνο που οφείλεται σε έκθεση σε ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας (στοχαστικά φαινόμενα) δεν έχει νόημα να μιλάμε για τιμές πάνω από 1 Sv.