NASA studerer kosmisk stråling for at beskytte rejsende i stor højde

NASA-forskere, der studerer stråling i høj højde, har for nylig offentliggjort nye resultater om virkningerne af kosmisk stråling i vores atmosfære. Deres forskning vil hjælpe med at forbedre strålingsovervågning i realtid for flyindustriens besætning og passagerer, der arbejder i potentielt højere strålingsmiljøer.

Forestil dig, at du sidder på et fly. Cruising gennem stratosfæren ved 36, 000 fod, du er langt over skyerne og fuglene, og sandelig, meget af atmosfæren. Men, trods sit udseende, denne region er langt fra tom.

Lige over dig, højenergipartikler, kaldet kosmiske stråler, zoomer ind fra det ydre rum. Disse hurtige partikler styrter vildt ind i molekyler i atmosfæren, forårsager en kædereaktion af partikelforfald. Mens vi stort set er beskyttet mod denne stråling på jorden, oppe i stratosfærens tynde atmosfære, disse partikler kan påvirke både mennesker og elektronik.

Lanceret i september 2015 nær Fort Sumner, Ny mexico, NASA's strålingsdosimetrieksperiment, eller RaD-X, brugte en kæmpe heliumfyldt ballon til at sende instrumenter ind i stratosfæren for at måle kosmisk stråling, der kommer fra solen og det interstellare rum. Resultaterne, præsenteret i et særnummer af Space Weather Journal , fremvise nogle af de første målinger af deres art i højder fra 26, 000 til over 120, 000 fod over Jorden.

"Målingerne, for første gang, blev taget i syv forskellige højder, hvor dosimetriens fysik er meget anderledes, " sagde Chris Mertens, hovedefterforsker af RaD-X-missionen ved NASAs Langley Research Center i Hampton, Virginia. "Ved at have målingerne i disse syv højder er vi virkelig i stand til at teste, hvor godt vores modeller fanger fysikken i kosmisk stråling."

Kosmisk stråling er forårsaget af højenergipartikler, der konstant bruser ned fra rummet. De fleste af disse energiske partikler kommer uden for solsystemet, selvom solen er en vigtig kilde under solstorme.

Jordens magnetosfære, der fungerer som et kæmpe magnetisk skjold, blokerer det meste af strålingen i nogensinde at nå planeten. Partikler med tilstrækkelig energi, imidlertid, kan trænge ind i både Jordens magnetosfære og atmosfære, hvor de kolliderer med molekyler af nitrogen og oxygen. Disse kollisioner får højenergipartiklerne til at henfalde til forskellige partikler gennem processer kendt som nukleoniske og elektromagnetiske kaskader.

Hvis du kunne se partiklerne fra flyets vindue, du vil bemærke, at de grupperer sig i et område over flyet. Atmosfærens tæthed gør, at henfaldet overvejende sker i en højde af 60, 000 fod, som skaber et koncentreret lag af strålingspartikler kendt som Pfotzer -maksimum.

Stråling i atmosfæren kan måles på to måder - ved hvor meget der er til stede, eller hvor meget det kan skade biologisk væv. Sidstnævnte er kendt som dosisækvivalenten og er standarden til at kvantificere sundhedsrisici. Denne mængde er notorisk svær at måle, da det kræver at kende både typen og energien af ​​den partikel, der afsatte strålingen, ikke blot hvor mange partikler der er.

Disse partikler, både de primære højenergipartikler og de sekundære henfaldspartikler, kan have negative sundhedsvirkninger på mennesker. Kosmisk stråling nedbryder DNA og producerer frie radikaler, som kan ændre cellefunktioner.

RaD-X missionen tog højdemålinger, få af dem har eksisteret tidligere, for bedre at forstå, hvordan kosmisk stråling bevæger sig gennem Jordens atmosfære. Måling af dosisækvivalenthastighed over en række højder, de fandt en konstant stigning i hastigheden højere i atmosfæren, et fund, der tilsyneladende er i modstrid med koncentrationen af ​​partikler ved Pfotzer-maksimum. Dette kan forklares med det komplekse samspil mellem primære og sekundære partikler i disse højder, da de primære partikler fundet højere oppe har en meget mere skadelig effekt på væv end de sekundære partikler.

På grund af deres tid tilbragt i jordens øvre atmosfære, flybesætninger i luftfartsindustrien udsættes for næsten det dobbelte af strålingsniveauerne for jordbaserede individer. Eksponering for kosmisk stråling er også en bekymring for besætningen ombord på den internationale rumstation og fremtidige astronauter, der rejser til Mars, som har et strålingsmiljø, der ligner Jordens øvre atmosfære. At lære at beskytte mennesker mod stråling er et vigtigt skridt i fremtidig rumforskning.

Resultaterne fra RaD-X vil blive brugt til at forbedre rumvejrmodeller, ligesom Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation for Aviation Safety, eller NAIRAS, model, som forudsiger strålingshændelser. Disse forudsigelser bruges af kommercielle piloter til at vide, hvornår og hvor strålingsniveauer er usikre, tillader omdirigering af fly i den berørte region, når det er nødvendigt.

Mens ballonflyvninger som RaD-X er afgørende for modellering af strålingsmiljøet, de kan ikke levere strålingsovervågning i realtid, som NAIRAS kræver til prognoser. NASA's Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety-program arbejder sammen med RaD-X for at udvikle og teste instrumenter, der kan flyves ombord på kommercielle fly til realtidsovervågning i store højder.

I øjeblikket, et instrument kaldet en TEPC - forkortelse for tissue equivalent proportional counter - er standardinstrumentet til måling af kosmisk stråling. Dette instrument er stort, dyrt og kan ikke bygges kommercielt - hvilket gør det mindre end ideelt til storskala distribution.

"Vi har brug for små, kompakt, solid-state-baserede instrumenter kalibreret mod TEPC, som pålideligt kan måle dosisækvivalenter og kan integreres i fly billigt og kompakt, "Sagde Mertens.

Flymissionen testede to nye instrumenter - RaySure-detektoren og Teledyne TID-detektoren - i håb om, at de kan installeres på kommercielle fly i fremtiden. Disse nye instrumenter har den fordel, at de er kompakte og lette at producere. Under RaD-X mission test, begge instrumenter viste sig at være lovende kandidater til fremtidig realtid, in situ overvågning.