Радиационные условия в околоземном космическом пространсгве тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Министерство науки-Акаде.чня наук Республики Казахстан - • " •' Институт ионосферы

1

• I ■ * • 1

На правах рукописи

Антмухамбетов Лбай Ахметгалиевич

Радиационные условия в околоземном космическом пространстве

01 03 03 - Гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Алматы, 1998 г.

Работа выполнена в отделе физики космоса и радиационной физики НИИ ЭТФ КазГУ им. Аль-Фараби; кафедре физики космоса н радиационной физики физического факультета КазГУ им. Аль-Фараби; кафедре общей физики Кокшетау-ского университета им. Ш. Уалиханова.

Научные консультанты: доктор физико-математических наук, заслуженный

деятель науки н техники Республики Казахстан, профессор Колоиесц Е.В., КазГУ, Алматы, Казахстан; доктор физико-математических наук, профессор Барсуков О.А., ИПГ, Москва, Россия. Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук, лауреат премии М.В. Ломоносова проф. B.C. Мурзин, ПИИЯФ МГУ, Москва, Россия; доктор фнэико-м¡¡тематических наук, лауреат Ленинской премии, профессор Стожков ЮН., Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия; доктор физико-математических наук, проф. Козин И.Д., Институт ионосферы МН-АН РК, Алматы. Казахстан. Ведущая организация: институт прикладной геофизики им. академика

Е.К. Федорова, РАН, Москва, Россия.

Защита состоится J-^f ¿М-ССШ'ТЬ^Х- ¡998 г. в^£Рчасов на заседании Регионального диссертационного совета Д 53.03.01 на соискание ученой счеггсин доктора физико-математических наук при Институте ионосферы МН-АН РК но адресу: 480068, Алматы, Кайенское плато.

С диссертацией можно ознакомиться Б библиотеке Института ионосферы Автореферат разослан *. ." 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета кандидат физнко-мате.иагнческнх наук , ' Б.А.Туркееяа

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Широкое использование современной авиации привело к тому, что большое количество людей поднимаются на высоты порядка 10 и более километров, подвергаясь воздействию повышенных уровней облучения. В атмосфере источниками радиационной опасности является излучение внеземного происхождения, называемое космическим излучением и излучение искусственного происхождения. Космическое излучение является основным фактором, определяющим радиационную обстановку и уровни радиационного воздействия ионизирующих излучений на экипажи и пассажиров летательных аппаратов на высотах более 8 км, т.к. при полетах на этих высотах люди частично лишаются естественной защиты от воздействия космической радиации в виде слоя воздуха земной атмосферы. На высотах крейсерского полета дозвуковых самолетов толщина этой воздушной защиты составляет всего 260-190 г/см2, т.е. примерно 20-25 процентов от защитного слоя атмосферы на уровне земли (1030 г/см2); еще меньше толщина защитного слоя воздуха на высотах полетов сверхзвуковых самолетов, составляющая 140-150 г/см", т.е. приблизительно Ы-15 процентов от толщины слоя атмосферы ка земной поверхности.

Искусственные источники радиационной опасности в атмосфере связаны с загрязнением воздуха радиационными веществами, которые поступают в атмосферу при испытаниях ядерного оружия в атмосфере Земли, когда имеют место прорывы и свищи, при авариях и выбросах предприятий атомной промышленности и энергетики, при авариях спутников с силовыми и энергетическими ядерными установками.

Воздействие ионизирующего излучения на людей во время полетов, т.е. дополнительная, по сравнению с наземными условиями, дозовая нагрузка, может приводить к появлению неблагоприятных последствий для

здоровья, что заставляет принимать меры по обеспечению безопасности полетов.

В работе рассматривается круг вопросов, связанных с обеспечением радиационной безопасности летательных аппаратов, чем объясняется актуальность и выбор темы настоящего исследования.

Целью исследования является изучение вклада различных компонент космического излучения, ответственных за радиационную обстановку на различных высотах атмосферы Земли и околоземном космическом пространстве.

Объект исследования: воздействие космического излучения на различные летательные аппараты, используемые человечеством в качестве транспорта.

Предмет исследования: первичное космическое излучение, его химический состав, изменения во времени, прохождения космического излучения через атмосферу Земли и его воздействие на экипажи и пассажиров, находящихся в самолетах и других летательных аппаратах.

Задача исследования: исследовать физические механизмы модуляции галактического космического излучения в гелиомагнитосфере, генерацию и распространение солнечных космических лучей, взаимодействие первичного космического излучения в диапазоне энергии 10й-10й эВ с ядрами атомов в атмосфере Земли; определить энергетические спектры, интегральные потоки протонов, электронов, мюонов, нейтронов I! их изменение во времени на различных глубинах атмосферы Земли; установить взаимодействие вторичного и на больших высотах первичного космического излучения с летательными аппаратами и воздействие данного излучения на экипажи и пассажиров, находящихся в самолетах и других летательных аппаратах.

Методологической основой исследования являются использование теоретических и экспериментальных достижений в области ядерной физики, физики космического излучения, космофизики и астрофизики.

Теоретическую основу исследования составляют работы известных ученых мира, внесших существенный вклад в развитие физики космических излучений: И.Н. Топтыгина, B.JI Гинзбурга, Л.И. Дормана, Дж. Симпсона, С.Н. Вернова, B.C. Мурзина, С.И. Сыроватского, В.Р. Вебера, Б.А. Тверского, Э. Ферми, А.Р. Лингенфельтера, С. Хаякала, F.B. Me Donald, В. Klecer, J.R. Jokipi, Dg. Adams, A.J, Tulka.

Ведущая идея исследования: воздействие естественного и искусственного излучения на летательные аппараты, экипажи и пассажиров, находящихся в них.

Базой опытно - экспериментальной и теоретической основ являются работы отдела физики космоса и радиационной физики НИИ ЭТФ КазГУ им. аль-Фараби, кафедра физики космоса и радиационной физики КазГУ им. аль-Фараби, кафедра общей физики и теоретической физики Кокше-тауского университета им. Ш. Уалиханова, мировая сеть данных непрерывных регистрации космического излучения на поверхности Земли, в стратосфере, в reo- и гелиомапштосферах (мировые центры данных: Москва, Вашингтон и Токио).

Этапы исследования,

Первый этап (1972-1979 г.г.) посвящен теоретическому исследованию проблемы модуляции космического излучения в гелиомагнитосфере, геомагнитосфере и околоземном космическом пространстве.

Второй этап (1980-1990 г.г.) посвящен изучению прохождения космического излучения через атмосферу Земли, исследованию энергетических

спектров различных компонент интенсивности космического излучения на различных глубинах атмосферы Земли и их временных вариаций.

На завершающем этапе (1991-1997 г.г.) проведена работа по изучению взаимодействия космического излучения на персонал и пассажиров, находящихся в летательных аппаратах и определению уровней доз радиации в космическом пространстве и в самолетах.

Научная новизна проведенного исследования заключается в том, что на основе комплексного изучения впервые проведено исследование воздействия естественного и искусственного космического излучения на авиапассажиров и экипажи самолетов и других летательных аппаратов.

Достоверность проведенных теоретических расчетов прохождения первичного космического излучения через атмосферу Земли, численное моделирование физических процессов в космосе подтверждены рядом экспериментальных и теоретических работ друтих авторов.

Теоретическая и экспериментальная значимость проведенных исследований состоит в определении энергетических и пространственно-временных распределений полей ионизирующих излучений на высотах полетов самолетов и других летательных аппаратов, а также связи между критическими явлениями в космическом пространстве и радиационно- опасными событиями в стратосфере.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в том, что полученные теоретические разработки и экспериментальные результаты позволили провести измерения дозовых характеристик в космическом пространстве и на бортах летательных аппаратов по оценке уровней доз облучения экипажей и пассажиров в экстремальных условиях полета, а полученные результаты направлены в международное агентство по гражданской авиации.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- механизм модуляции ГКИ в гелиомагнитосфере;

- распространение ГКИ и CKJÏ в атмосфере Земли с учетом радиационных факторов;

- радиационные аспекты воздействие первичного и вторичного космического излучения, генерированного при взаимодействии их с ядрами атомов атмосферы Земли, на пассажиров и экипажи летательных аппаратов и изменение уровнен доз радиации во времени;

- прогнозирование уровнен доз радиационной безопасности во времени, связанной с изменением космического излучения за счет модуляции ГКЛ и CKJÏ, генерировавшихся во время вспышки на Солнце и стелет достоверности прогнозирования.

Апробация полученных результатов. Результаты проведенного неследования обсуждались на разных уровнях; на мевдукародкьк конференциях по космическим лучам, начиная с 1973 г. (Денвер -1973 г., Mtinclien -1975 г., Tokyo -1976 г., Plovdiv -1977 г. и др.), на международных семинарах и симпозиумах по шемофизике (Алма-Ата -19К0 г., Москва -1997 г., Uppsala-1997 г.), на семинарах лаборатории вариаций космического излучения кафедры физики космоса и радиационной физики, в отделе физики космоса радиационной физики НИИ ЭТФ КазГУ им. ать-Фдрабн, в институте прикладной геофизики в Москве (Россия), ira ежегодных научных конференциях Кокшетауского университета им. Ш. Уалиханова.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 276 наименований, трех приложений. Материал диссертации содержит 22 таблицы, 134 схемы и рисунка.

Во введения обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи, достоверность проведенных теоретических расчетов, численное моделирование физических процессов в космосе, указаны этапы исследования, раскрыты научная новизна, научно-практическая значимость работы.

В первой главе достаточно подробно рассматриваются природа и состав первичного космического излучения и его изменение во времени, так как знания этих данных дает возможность более детально исследовать причины изменения космического излучения в геомагнитосфере и на границе атмосферы Земли.

Приведены данные о химическом составе первичного космического излучения; отмечается, что космическое юлучение состоит из протонов ~ 90%, г ¿-частиц ~ (8-9)% и ядер групп Ь (1л,Ве,В); М (€,N,0) и группы ядер с 2>9; тяжелые ядра делятся на ряд подгрупп. Наблюдается близкое соответствие ядерного состава космических лучей с данными о распространенности элементов во Вселенной. Однако более тщательный анализ обнаруживает следующие различия:

а) Наличие ядер I, - группы (3 < Ъ < 5) наблюдается в заметных количествах в космических лучах и практически отсутствует во Вселенной;

б) Наличие пика, приходящегося на ядро железа, в космических лучах.

Эти различия в современной теории снимаются предположением о том, что состав первичного космического излучения при генерации сам по себе совершенно отличен от того, который можно было бы ожидать, исходя из распространенности элементов во Вселенной. Однако в результате последующей фрагментации формируется состав, сходный с наблюдаемым в Галактике и гелиомагнитосфере.

Рассмотрены процессы формирования потоков ГКИ и их распространение в межпланетном пространстве; рассчитаны энергетические спекгрьг ГКИ, так как на орбите Земли поток космического излучения в области энергий от нескольких десятков мегаэлектронвольт до нескольких десятков гигоэлектронвольт существенным образом изменяется от максимума к минимуму солнечной активности. Данный диапазон энергий имеет определяющее значение для рассматриваемой в диссертации задачи.

В результате исследования энергетического спектра и пространственного распределения ГКИ в межпланетном пространстве определен вид смодулированного энергетического спектра на границе гелиомагнитосферы, критерием правильности которого может служить согласие результатов расчета не-модулнрованного энергетического спектра, с измеренными модулированными энергетическими спектралга на орбите Земли. Немодулнровлнный энергетический спектр описывается выражением:

где Е - полная энергия частиц. Учитывал, 'что при определении энергетического спектра в гелиомагнитосфере важным параметром является коэффициент диффузии космического излучения, в работе оценены его значения для различных лет с учетом зависимости его от энергии и расстояния.

Зависимость % (коэффициента диффузии) от энергии определяется частотным спектром магнитных неоднородностей, который изменяется с изменением солнечной активности.

Рассмотрены энергетические спектры и пространственно-временные зависимости солнечных космических лучей, генерированных во время вспышек на Солнце, как источники радиационно-опасных событий. Учитывая, что

источниками радиации являются как заряженные частицы, так и незаряженные у-кванты, изучено прохождение через магнитосферу Земли заряженных частиц, детально рассчитана жесткость геомагнитного обрезания для различных точек Земного шара и его изменение во времени, что дает возможность определить поток частиц в любой точке Земного шара для конкретного уровня солнечной активности.

Во второй главе рассмотрены процессы взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов атмосферы Земли, в результате чего образуются вторичные частицы, которые в своем движении вновь взаимодействуют с ядрами атомов атмосферы, порождая новые частицы; такой механизм тенерацш! вторичных частиц формирует электрошю-фотшшый и вдер-ный каскады. Учитывая, что механизм каскадного размножения составляет одну из основных проблем в ядерно-физическом аспекте физики космических лучей, в данной главе обоснован выбор модели для решения задачи о прохождении космического излучения через згшеферу Земли. На осяове разработанной расчетной модели прохождения обшеионшующей компоненты космических лучей через атмосферу Земли вычислены энергетические спектры вторичных каскадных частиц в атмосфере Земли и салонах летательных аппаратов. Достоверность выбранной модели достигается хорошим согласием между расчетными и экспериментальными данными.

Расчет потока ядерной компоненты в атмосфере был произведен на основе двух предположений:

а) для релятивистских фрагментов сохраняются направления движения первичной частицы и энергия (в расчетах на нуклон налетающего ядра);

б) торможение ядер обусловлено ионизационными потерями. Из этого вытекает, что низкоэнергичные ядра (с энергией меньше нескольких сот мегаэлектронвольт на нуклон) не дают вклада во вторичные потоки

остальных компонент. Таким образом, для данной цели расчетов ядерная компонетгга важна только как источник вторичных частиц; при расчете следует учитывать лишь потоки высокоэнергичных ядер (с энергией > 1 ГэВ/нуклон).

Кинетическое уравнение электронно-фотонного каскада моделировалось по аналогии с моделированием уравнений ядерно-каскадного процесса в предположении, что существует пороговая энергия, ниже которой образование фотонов рассматривается как процесс непрерывкой радиационной потерн электроном своей энергии.

Третья глава посвящена исследованию фоновых потоков протонов и ядер с 2 > 2 в стратосфере. Основную долю потом нуклонов и ядер, направленного на границе атмосферы в нижнюю полусферу, образуют первичные протоны и а-частины. Остальная часть потока нуклонов и ядер состоит из так называемых частиц прямого и возвратного альбедо-вторичных заряженных частиц с энергией меньше энергии геомагнитного порога в данной точке; они возникают в верхних слоях атмосферы Земли и первоначально вылетают в околоземное пространство - прямой поток альбедных частиц, возвращаясь затем под действием магнитного поля Земли в атмосферу -возвратный поток альбедных частиц.

Таким образом, на высоте меньше 15-20 км ядерноактивное излучение Состоит из вторичных частиц; в состав его заряженной компоненты входят, главным образом, протоны и а-частицы, тогда как содержание первтшых частиц в потоке нуклонов и ядер с Ъ > 1 уменьшается за счет взаимодействия первичных частиц с ядрами атомов атмосферы; нейтральная компонента представлена вторичными нейтронами и гамма-квантами.

В верхних слоях атмосферы (3-5 г/см2) в составе ГКИ имеют место ядра с Ъ >2.

В биолошчеснм плаке наиболее эффективным компонентом ГКЯ являются низкоэнергетичные потоки ядер с Ъ > 2 (Е < 1 ГэВ/нуклон). Именно они дают при отсутствии вспышек СЮ1 основной вклад в суммарный дозовый эквивалент облучения.

Такие ядра с 2 > 2 обладают относительно большим сечением взаимодействия, их свободные пробеги значительно меньше, чем у протонов, вследствие чего такие ядра существуют лишь в верхних слоях атмосферы. Анализируя радиационную обстановку на высоте меньше 18 км., можно пренебречь вкладом тяжелых ядер в суммарную эквивалентную дозу облучения, однако необходимо учитывать вклад в нее вторичных излучений с большей проникающей способностью. На высоте больше 18 км необходимо учитывать вклад в эквивалентную дозу облучения ядер с Z>2, в первую очередь, ядер Не.

К важнейшим физическим характеристикам потоков космического излучения б стратосфере относятся их энергетическое, пространственное и угловое распределение. В качестве зависимостей, дающих достаточно полное представление о перечисленных характеристиках, в работе рассчитаны дифференциальные энергетические спектры соответствующих излучений, зависимость интегральной плотности потока частиц от высоты 1! широты и зависимость плотности потока частиц от зенитного утла или еш косинуса.

Рассчитаны дифференциальные энергетические спектры, пространственное и угловые распределения протонов, ядер с Ъ > 2, галактических космических лучей для периода между максимумом и минимумом солнечной активности, при различной жесткости геомагнитного обрезания. Сопоставление между теоретическими и экспериментальными данными

даёт удовлетворительное согласие, что может служить подтверждением правильности выбранной методики,

В результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов атмосферы Земли формируется широкий непрерывный энергетический спектр атмосферных нейтронов. В работе рассчитаны плотности потоков нейтронов в зависимости от высоты, широты и долготы и их временные изменения. Для энергетической области 1-10 МэВ получена подробная экспериментальная информация о спектрах нейтронов и их угловом распределении. Расчеты, проведенные в названной выше области энергии (1-10 МэВ), согласуется с экспериментальными данными.

Учитывая, что в зависимости от энергии частиц, высоты и жесткости геомагнитного обрезания вклад электронно-фотонной компоненты может быть различным, в работе были рассчитаны дифференциальные энергетические спектры, пространственное и угловое распределения электронно-фотонной компоненты ГКЛ. Теоретически найденные спектры согласуются с экспериментальными данными потоков при энергии 10 МэВ, (форма энергетического спектра электронов и у-квантов с энергией меньше 100 МэВ практически не зависит от широты.

На крейсерской высоте полета высотных самолетов (10-20 км) во время генерации СКЛ в солнечных вспышках происходит увеличение плотности потока заряженных частиц в десятки и сотни раз, причем повышенный уровень радиашш в зависимости от энергии частиц сохраняется в течет«; времени от нескольких часов до нескольких суток. Поэтому расчеты энергетических спектров, пространственных и угловых распределений потоков частиц во время этих событий приобретают существенное значение.

Проведенные расчеты показывают, что превышение фонового уровня от ГКЛ, обусловленное СКЛ, должно учитываться при оценке радиационной

обстановки в большом диапазоне широт, но в особенности в полярных областях (примерно в зоне сЛ<1ГВ).

Измерения космического излучения от границы плотной атмосферы до нижней границы радиационных поясов показали., что на высоте 200-800 км плотность потоков космических частиц в несколько раз превышает плотность потоков первичного космического излучения. Такое избыточное излучение частично или полностью возникает за счет ухода некоторого числа частиц из плотных слоев земной атмосферы в околоземное пространство.

Рассмотрение характеристик потоков прямого альбедо и связанных с ними потоков возвратного альбедо сделало возможным достаточно полное охшсанис радиационной обстановки в стратосфере. Рассчитанные дифференциальные энергетические спектры, угловое распределения, высотные зависимости альбедо протонов, нейтронов, мюонов и электронно-фотонной компоненты позволяют уточнить радиационную обстановку как в атмосфере Земли, так и в околоземном космическом пространстве,

Проведенные расчеты показали, что угловые распределения дифференциальной плотности потоков для альбедных частиц в области энергии меньше 10 МэВ (¡и высоте 10-25 км) становятся изотропными. Согласие результатов расчетов с экспериментальными: данными указывает на правильность сделанных предположении.

Четвертая глава посвящена исследованию радиации, создаваемой космическими лучами в стратосфере. Рассмотрены угловые, энергетические распределения, пространственные и временные вариации компонент излучения, дающих основной вклад в эквивалентную дозу облучения, с целью оцени! биологического воздействия космического излучения.

На основании исследования состояния вопроса о биологическом эффекте излучения в работе сделано заключение о том, что наибольшая мощность

эквивалентной дозы облучения ГКЛ на высоте 18-20 км в полярных областях за определенный период превышает нижний уровень мощности эквивалентной дозы облучения (100 мкзв/ч) в несколько раз. В 10-15 раз имеет место превышение из-за вторжения СКЛ в атмосферу, верхний уровень (500 мкзв/ч) превышается в 3-4 раза. Следовательно, экипажи высотных самолетов подвергаются систематическому облучению сверхнормативными дозами ГКЛ, а вероятность облучения высокими дозами СКЛ имеется в периоды близкие к максимуму солнечной активности, когда число вспышек генерации СКЛ велико; в остальное время цикла солнечной активности вероятность облучения высокими дозами сравнительно невелика.

Приведенные результаты исследования дали возможность сделать вывод о том, что основной вклад в эквивалентную дозу облучения вносят нуклонная и электронно-фотонная компоненты космического излучения. В работе были рассчитаны мощности эквивалентной дозы облучения указанных компонент ГКЛ для различных энергетических интервалов на высоте от 10 до 24 км ц различных значений жесткости геомагнитного обрезания от 0,1 до 15 ГВ для периода минимума и максимума солнечной активности. Расчеты основаны на энергетических стестрах и угловых распределениях кротонов, нейтронов, электронов, мю-мезонов и у-квантов. При этом следует подчеркнуть, что вклад в эквивалентную дозу облучения на интересующей высоте обусловлен в основном нуклонами, вклад электронно-фотонной компоненты значительно меньше. Вклад мюонной компоненты на порядок меньше Дозу заряженных частиц почти полностью создают низкоэнергичные протоны (меньше 400 МэВ). Более равномерно по энергии распределена эквивалентная доза облучения нейтронов; приблизительно половину дозы дают нейтроны с энергией более 10 МэВ.

Таким образом, анализ распределения мощности эквивалентной дозы облучения по виду частиц и энергиям показывает, что относительный вклад частиц разного сорта в полную мощность эквивалентной дозы облучения варьирует с изменением высоты и жесткости обрезания.

На основе проведенных расчетов установлено, что суммарная мощность эквивалентной дозы облучения ГКЛ в атмосфере зависит от жесткости геомагнитного обрезания и от уровня солнечной активности и является максимальной в минимуме солнечной активности; при увеличении жесткости геомагнитного обре'ШШя или при повышенной солнечной активности максимум высоткой зависимости сдвигается в сторону меньших высот. Следовательно, при контроле радиационной' обстановки на трассах полета высотных самолетов с помощью стратосферных радиозондов необходимо учитывать,в какой фазе солнечного цикла производится измерение.

Расчеты показывают, что амплитуды вариации ГКЛ не превышают несколько десятков процентов, С другой стороны, интенсивность потоков СКЛ .может изменяться в значительно более широких пределах, зачастую составляющих несколько порядков. Поэтому в работе для расчета мощности дозы облучения СКЛ была введена безразмерная величина - переходной коэффициент, имеющий физический смысл вторичного потока, получаемого от одной первичной частицы с энергией больше граничной при жесткости обрезания на глубине остаточной атмосферы.

В целях прогнозирования радиационной безопасности экипажей и пассажиров при полетах в высотных самолетах разработана программа, позволяющая определять эквивалентную мощность дозы облучения, создаваемую нуклонами солнечного происхождения в зависимости от высоты (глубины атмосферы), жесткости обрезания и видов энергетического спектра.

На базе исследования сделано заключение, что для обеспечения радиационной безопасности экипажей и пассажиров высотных самолетов необходимо, соблюдая действующие санитарные нормы, пршшмать следующие меры: организацию системы прогнозирования опасных уровней радиации на трассах полетов высотных самолетов; контролирование на борту мощности эквивалентной дозы облучения и индивидуальный контроль доз, накапливаемых членами экипажей.

Применение радиометрической я дозиметрической аппаратуры, поднимаемая в атмосферу с помощью стандартных радиозондов или непосредственно на борту самолетов,способствовало обеспечению контроля радиационной обстановки.

Анализ методов контроля радиационной обстановки в атмосфере позволял установить, что минимальные уровни облучения, обусловленные ПСП, составляют единицы микрозиверт в час, максимальные уровни облучения связаны с вторжением потоков частиц солнечного происхождения в атмосферу во время мощных солнечных вспышек и могут достигать значений порядка Ю"2 - Ю*' зиверт в час, что существенно превышает установленные нормативные уровни допустимого радиационного воздействия.

Таким образом, при разработке методов контроля и уровней естественной радиации необходимо учитывать указанные пределы изменения значений модности эквивалентной дозы облучения.

Располагая данными о зависимости мощности эквивалентной дозы облучения от фаз цикла солнечной активности, представляется возможным прогнозировать радиационные условия на трассах полетов высотных самолетов.

Пятая глава посвяшена вопросам, связанным с облучением людей во время полетов на борту летательных аппаратов. Проведенная оценка отношений плотности потока заряженных частиц в кабине самолета как в начале,

так и в конце крейсерского режима валета к плотности потока частиц на той же высоте в свободной атмосфере показала, что плотность потока частиц в кабине самолета больше, чем снаружи, т.е. имеет место локальное (местное) излучение. Указанные зависимости определены для трех пунктов: Оленегорск (11=0,5 ГВ), Москва (11=2,3 ГВ) и Алматы (11=6,8 ГВ).

Для объяснения дополнительного потока излучения в кабине самолета были изучены:

- ядерные и электронно-фотонные каскадные процессы, возникающие при взаимодействии частиц с конструкционными материалами самолета;

- наведенная радиоактивность, образующаяся в конструкционных материалах самолета в результате взаимодействия падающих нуклонов с ядрами конструкционных материалов самолета.

Изучение ядерных и электронно-фотонных каскадных процессов, равно как и недостаточным для исчерпывающего объяснения возникновения дополнительного потока излучения в кабине самолета, что, б свою очередь, привело к необходимости рассчитать поглощенную дозу в салоне самолета, учитывая более полно процессы взаимодействия падающего внешнего излучения с конструкцшшшын материалами и топливом в баках летательного аппарата.

Экспериментальные и расчетные данные свидетельствуют о том, что конструкционные материалы самолета и топливо в его баках обуславливают некоторое увеличение поля излучения, однако этот эффист в большинстве случаев не слишком велик, приводя к изменению дозы и потока не более чем на 10-15% и тогда как точность определения дозы составляет обычно 30 % Проведенный анализ относится к ГКЛ. Сказанное будет тем более справедливо в отношении СКИ и АИ, поскольку в этих случаях средняя энергия частиц значительно меньше средней энергии частиц ГКЛ.

Заключение

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сведены к следующему:

!. На базе данных регистрации ГКИ в гелиомагнитосфере получен немо-дулированный энергетический спектр ГКИ в Галактике.

2. На основе учета смодулированного энергетического спектра ГКИ рассчитаны энергетические спектры ГКИ в гилиомагнитосфере в различные периоды гелиомагнитного цикла.

3. На основе учета химсостава ГКИ и его процентного соотношения, рассчитаны энергетические спектры ядер с 7>2.

4. Рассчитаны энергетические спектры модуляции космического излучения в широком диапазоне энергий.

5. Проведено сопоставление энергетических спектров, рассчитанных и полученных экспериментально для широкого интервала энергий, для различных моментов геомагнитного цикла в широком диапазоне энергий.

6. Проведена систематизация уровней прохождения космического излучения через атмосферу Земли.

7. Получена расчетная модель распространения космических лучей в атмосфере Земли:

- для !{уклонной компоненты космических лучей;

- для мюонов и электронно-фотонной компоненты;

- для обшеионизирующей компоненты космического излучения.

8. Рассчитаны энергетические спектры нуклонной, мюошгой, электронно-фотонной компонент космического излучения на различных глубинах атмосферы Земли и изменение в гелиомагнитном цикле.

9. Рассчитаны энергетические спектры пространственного и углового распределения солнечных космических лучей, генерированных во время вспышек на Солнце, на границе атмосферы и на ее различных глубинах.

10. Рассчитаны условия распределения нуклонов, мюонов и электронно-фотонной компоненты галактических космических лучей на различных глубинах атмосферы Земли и их изменения во времени.

11. Проведены расчеты прямого и возвратного альбедо нуклонов, мкюн-ной и электронно-фотонной компонент. Рассчитаны их энергетические спектры, изменение во времени, что необходимо для определения радиационной обстановки в стратосфере - в верхних слоях и на границе атмосферы Земли.

12. Проведены расчеты мощности эквивалентной дозы облучения нуклон-нон и электронно-фотонной компонент ГКИ в широком диапазоне энергий на высоте от 10 км до границы атмосферы для периодов минимума и максимума солнечной активности. Данные расчеты основаны на энергетических спектрах, угловых и пространственных распределениях протонов, нейтронов, мюонов, элекгротю-фотонной компоненты, рассчитанных в работе.

13. Разработана система расчета мощности эквивалентной дозы облучения, создаваемой нуклонами солнечного происхождения на границе атмосферы в зависимости от глубины атмосферы и видов энергетического спектра, что необходимо для прогнозирования радиационной обстановки на трассах полетов высотных самолетов.

14. Разработаны рекомендации по обеспечению радиационной безопасности экипажей и пассажиров самолетов и других летательных аппаратов, начиная с высот, незначительно превышающих 10 км. Аргументы в пользу такого подхода заключаются в следующем:

а) при полетах на дозвуковых самолетах, летающих на высотах 10-11 км, доза на их борту меньше в сравнении с дозой на борту сверхзвуковых самолетов, эшелоны полета которых приходятся на 16-18,5 га.

б) облака радиоактивных аэрозолей создают радиационно-опасные условия и на высотах, до 20 км.

15. Рассчитаны данные о нормированной эквивалентной мощности дозы по циклу солнечной активности.

16. Расчеты и экспериментальные данные потоков космических излучений, прохождения их через атмосферу Земли и расчеты дозы радиация произведены для различных точек земного шара с жесткостью геомагнитного обрезания от 0 до 15 ГВ. Составлен атлас карт радиационной обстановки вокруг земного шара.

Приведенные вьпне результаты позволяют сделать следующие выво-

ЗМ1

I. Проведены исследования распространения космического излучения ГКИ и СКЛ в гелио- и геомагнитосферах до границы атмосферы Земли.

II. Проведены расчеты.

- взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атмосферы Земли;

- распространения различных компонент вторичного космического излучения на различных глубинах атмосферы Земли.

Ш. На базе полученных результатов проведены расчеты доз радиации в космическом пространстве, на различных глубинах атмосферы Земли, как вне, так и внутри салонов летательных аппаратов. Составлены карты радиационной опасности в зависимости от высоты, жесткости геомагнитного обрезания и солнечной активности. Разработаны методы и проведены расчеты

прогнозов мощности эквивалентной дозы облучения в геомагнитном цикле.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах диссертанта:

1. Aitmuhambetov A.A., Alentiev A.N., Zusmanovich A.G. and Kolomeetz E.V., Anisotropy and Energy Spectrum of Cosmic Rays in Interstellar Space // Proc.

13 th Jnt. Conf. Cosmic Ray, Denver, vol.l, 1973, p.396 - 401.

2. Айтмухамбетов A.A., Апшров P.P., Зусманович А.Г., Коломеец E.B. Модуляция и статистическое ускорение нерелятивистских заряженных частиц в межпланетной среде. II Препринт №8, MB ССО КазССР. Алма-Ата, 1974, с. 3-29.

3. Aiunuhambetov A.A., Zusmanovich A.G. and Kolomeetz E.V. The modulation and Energy Spectrum of Electronics in Interstellar Space. // Proc.

14 th Jnt. Conf., Cosmic Ray, München, vol.3, 1975, p.990 - 994.

4. Айтмухамбетов A.A., Зусманович А.Г., Кобзев В.И., Коломеец E.B. Энергетический спектр космических лучей в области энергии 106-2-]01с эВ. // Известия Ali СССР, сер.физ., т.40, Л«3, 1976, с.543-545.

5 Айтмухамбетов A.A. Зусманович А.Г., Коломеец Е.В, Энергетический спектр электронов в межзвездном пространстве. Н В кн.: Прикладная и теоретическая физика. Вып. 8, Алма-Ата, 1976, с.214 - 219.

6. Айтмухамбетов A.A., Зусманович А.Г.. Коломеец Е.В. Онределение функции модуляции галактических космических лучей. //В кн.: Прикладная и теорипсческая физика. Вып. 8, Алма-Ата, 1976, с.202 - 207.

7. Айтмухамбетов A.A., Зусманович А.Г., Коломеец Е.В. Модуляция ядер тяжелее гелия и их спектры в межзвездном пространстве. //В кн.: Прикладная и теоретическая физика. Выл.8, Алма-Ата, 1976, с.208 - 213.

8. Айтмухамбетов A.A., Ашяров P.P., Богданова О.В., Зусманович А.Г.,

Коломеец Е.В. Модуляция галактических космических дней. // В кн.; Материалы итоговой научной конференции профессорско-преподавательского состава КазГУ, Алма-Ата, 1976, с. 260.

9. Aitmuhambetov А.А., Aldagarova Н.2., Kolomeetz E.V., Pivneva V.T. Spectra of Galactic Cosmic Ray Modulation during the Different Periods of Solar Activity. /V Proc. of Jnt. Cosmic Ray. Symposium on High Energy Cosmic Ray Modulation. Tokyo, 1976, p.204 - 208.

10. Aitmuhambetov A.A., Zusmanovich A.G., Kolomeetz E.V., Kmpennikov O.V. On the propagation of Cosmic Rays in the Galaxy. // Proc. 15 th Jnt. Conf. Cosmic Ray, Plovdiv, vol.2 , 1977, p.267 - 271.

11. Айтмухамбетов А.А., Аширов P.P., Зусмановнч А.Г., Коломеец Е.В. Сравнение различных методов решения уравнений переноса космических лучей межзвездном пространстве. // В кн.: Физика атомного ядра и космических лучей. Алма-Ата , 1978, с.106-113.

12. Айтмухамбетов А.А., Аширов P.P., Коломеец Е.В., Стекольников Н,В. Энергетический спектр космических лучей вне области модуляции. // В тр.: Космофюические аспекты исследования, космических лучей. Международный семинар, Алма-Ата, 1980, с.59.

13. Айтмухамбетов А.А. Изменение Энергетических спектров космических лучей при их распространении в Галактике Н В кн.: Космические лучи в межпланетном пространстве н ионосфере Земли. Наум, Алма-Ата, 1982, с.163 - 172.

14. Аотмухамбетов А.А., Зусмановнч А.Г. Некоторые вопросы теории модуляции космических лучен. // В кн.: Модуляционные и геофизические эффекты в космических лучах. Наука. Алма-Ата, 1985, с.73 - 93.

15. Айтмухамбетов А.А., Чумбалова Р.А. Параметры ядерных взаимодействий космических лучей в межзвездном пространстве. // В кн.: Модуляци-

оккые и геофизические эффекты в космических лучах. Наука, Алма-Ата, 1985, с.153 - 166.

16. Айтмухамбетов A.A., Коломеец Е.В., N-S ассиметрия космических лучей и солнечной активности в гелиомагшшюм цикле. ¡1 В сб. научных трудов: Исследование космических лучей в широком диапазоне энергий. Алма-Ата, 1991, с.102 - 135.

17. Айтмухамбетов A.A., Коломеец Е.В. Численное моделирование физических процессов в космосе. // Методическое пособие по спецпракгакуму. Изд. "К,азак, университет!", Алма-Ата, 1991, 110 с.

18. Chebakova Е.А., Kolomeetz E.V., Nerezov K..V., Aitmuliambetov A.A., Nee Kh.K The Generation and Propagation of high Energy Cosmic Ray. 11В сб.: Валихановские чтения-3 (материалы республиканской научно-практической конференции), часть - 7, JSBN-5-7667-1889-6, Кокшетау, 1996, с.15-31.

19. Айтмухамбетов A.A., Керимов Э.А., Коломеец Е.В., Нерезов К,В,, Пешкова Е.А. Определение энергетических спектров вариаций космического излучения. И В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.1-8

20. Айтмухамбетов A.A., Коломеец Е.В., Оскомов В.В. Микропроцессорный регистратор для станции космических лучей в режиме « ON LINE » /У В сб.: Физика космических лучён. JSBN.5-7667-1711-3. Кокшетау, 1996, с. 14-18.

21. Kolomeetz E.V., N'aurzbaeva A.Zh., Utesheva S.M., Aitmuhainbetov A.A., Nee Kh.K 5- and 11-year cosmic ray variations and their cliang in time. // В сбор. Валихановские чтения - 3 (Материалы Республиканской научно-практической конференции), часть-7, JSBN-5-7667-1889-6, Кокшетау, ¡996, с.32-42.

22. Айтмухамбетов А.А.,Бименов Д.Ю., Коломеец Е.В., Ахмедова У.М. Ам-плшудно-фазовые и энергетические характеристики годовых вариаций интенсивности космического излучения. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.9 - 13.

23. Айтмухамбетов А.А., Ахмедова У.М, Коломеец Е.В., Мансуров К.Ж., Нерезов К.В. Радиационные дозы КИ во время вспышка 29.08.89 г, // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3. Кокшетау, 1996, с. 19-23.

24. Айтмухамбетов А.А., Ахмедова У.М., Коломеец ЕВ., Маису ров К.Ж., Нерезов К.В. Изменение радиации доз ПСИ в гелиомагттгом цикле. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7661-1711-3, Кокшетау, 1996, с.24-26.

25. Kolomeetz E.V., Oskomoy V. V., Aitmuhambetov А.А., Nee Xh.K Ecological and Hvdrological aspects of investigation of the cosmic rays. // В сб.: Ba-лихановские чтення-3 (Материалы республиканской научно-практической конференции), часгь-7, JSBN 5-7661-1889-6, Кокшетау, 1996, с.4-14.

26. Айтмухамбетов А.А., Ермилов A.M., Коломеец Е.В., Нерезов К.В. Модуляция космического излучения в гелномагаитосфере с учетом направленности общего магнитного поля и дрейфа частиц. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN" 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.27-30.

27. Айтмухамбетов А.А., Боковая Н.М., Коломеец Е.В., Певцова А.А. Вариации энергетического спектра дополнительного потока частиц в верхних слоях атмосферы Земли. // В сб.: Физика космических лучей, JSBN 57667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.31-35.

28. Kolomeetz E.V., Bokovaya N.N., Aitmuhambetov А.А. The nature of the additional particle flux in upper Earth atmosphere layers. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.36-41.

29. Aitimihambeíov A.A., Chebakova E.A., Kolomeetz E.V., Naurzbaeva A.Zh. 11-22 year variations of cosmic ray and their N-S assymmetry. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.42-45.

3D. Aitmuhambetov А.А., Kolomee-to E.V., Chebakova Е.A.,Kolomeetz L.E. High energy solar cosmic ray investigation during 1998-1991 flyers. // В сб.: Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.46-52.

31. Aitmuhambetov A.A., Chebakova Е.А., Kolomeetz E.V., Naurzbaeva A.Zh. Amplitude-phase, energetic and cosmic radiation variations. // В сб. : Физика космических лучей. JSBN 5-7667-1711-3, Кокшетау, 1996, с.53-57.

32. Aitmuhambetov А.А., Barsucov О.А., Kolomeetz E.V., Mansurov K.Zh. Nuclear Risk of Aircraft Flights Altitude above 10 km. // Proc. 8 th Scientific Assembly of JAGA with JCMA and STP Simposia, Uppsala, 1997, p.313.

33. Aitmuhambetov A.A., Barsucov O.A., Kolomeetz E.V., Mansurov K.Zk Radiational danger od the airplanes and other ilying apparatuses flights in the earth atmosphere of the altitudes more than 10 km. // Proc. Workshop "Space radiation envorment modelling: New Phenomena and Approaches MSU.", Moscow, Russia, 1997, p.23.

34. Коломеед E.B.. Барсуков OA., Айтмухамоетсв A.A., // Радиационная опасность полетов самолетов и других летательных аппаратов. Изд."Принг-5", Алматы, 1997, 264 с.

Abai Ahmetgalievich Aitmuhambetov

The radiation condition in the terrestrial cosmic space.

The author of the thesis considers the primary cosmic radiation generated in Galaxy, the quantity and duration of solar flashes, the chemical elements and modulation of cosmic radiation in heliomagneto sphere. The author of the thesis lists the results of his calculations of the power spectra, of the spatial radiation generated at différent levels of terrestrial atmosphere by GCR and SCR.

The author considers the dose parameters and makes the calculation of dose fields during the interaction of the primary and secondary cosmic radiation outside and inside the aircraft. The author of the thesis has worked out and lists his methods of prognosticating of the level of radiation near the earth, at the upper levels of the terrestrial atmosphere and in cosmic space.

Дисертацияда Галакгикада генерацияланатын алгашш гарыштьш, cq-улеленудач (FC) Кунде болатын таскынньщ уакыт бойнша e3repiciH, ге-лиомагнитосферадагы гарышхзу сэулеленудщ химиялык курамы жэне модуляциясы кэрастырылаган.

Кекдстисгсп FC eKimiii perri компоненттершщ Жер атмосферасыныц аргурш денгсйлершде таралуыныц энергетикалык. cneierpi, Жер атмосфера сыпан откен кездеп генерацияланган алгашкы ГРС мен KFC есептел-ген.

Алгаигкы жэне ешш гарыш саулелершщ эсерлершен болатын, япш ушу аппараттарынын сырткы хдбаты мен iuiKi салондарында болатын дозалык параметрлер жэне дозалык, о pi стер ji есептеулер кдрасгырыдцы.

Айтмухамбет-ов Абай Ахметкдлиевнч

Жер тетррепндеп кецюлктеп радиацпяльщ жагдай.