Космические лучи наса: Космические лучи. Их состав и происхождение |

Содержание

Космические лучи. Их состав и происхождение

История Вселенной

Объединение
взаимодействий

Космические лучи. Их состав и происхождение

Космические лучи были открыты в 1912 г.
В. Гессом. Различают первичные космические лучи — космические лучи до входа
в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов
взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Рис. 1. Основные компоненты первичных космических лучей

Рис. 2. Вертикальные потоки космических лучей в атмосфере.
За исключением протонов и электронов на больших высотах, все остальные
частицы образуются в результате взаимодействия первичных космических лучей с
атмосферой. Точками показаны результаты измерений отрицательных мюонов с
энергией > 1 ГэВ

Характеристики космических лучей до входа в атмосферу (первичные космические лучи)
	Галактические космические лучи	Солнечные космические лучи
Поток	~ 1 см^-2·с^-1	Во время солнечных вспышек может достигать ~10⁶ см^-2·с^-1
Состав	Ядерная компонента — ~90% протонов, ~10% ядер гелия, ~1% более тяжелых ядер Электроны (~1% от числа ядер) Позитроны (~10% от числа электронов) Антиадроны <1%	98-99% протоны, ~1. 5% ядра гелия
Диапазон энергий	10⁶ — 10²¹ эВ	10⁵ — 10¹¹ эВ

В результате взаимодействия с ядрами атмосферы
первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число
вторичных частиц − пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов,
позитронов и фотонов. Таким образом вместо одной первичной частицы возникает
большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и
электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и
называется широким атмосферным ливнем.
В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50%
своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы.
Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые
адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы,
образуя адронный кор ливня.

Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами
атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную
компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не
доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и γ-кванты.

Рис. 3. Широкий атмосферный ливень

π⁰ → 2γ
,
π⁺ →
μ⁺ +
ν_μ,
π⁻ →
μ⁻ + _μ,

Мюоны в свою очередь могут распадаться

μ⁺ → e⁺
+
ν_e + _μ,
μ⁻ → e⁻ + _e
+
ν_μ.

    Образующиеся при распаде нейтральных пионов
γ-кванты вызывают каскад электронов и
γ-квантов, которые в свою очередь образуют
электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и
радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские
мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.
    Один протон с энергией > 10¹⁴ эВ может создать 10⁶-10⁹
вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области
порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента − в области ~100 м,
мюонная − нескольких сотен метров.
    Поток космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз
меньше потока первичных космических лучей (~0.01 см^-2·с^-1).

Рис. 4. Пространственное распределение компонент широкого атмосферного
ливня

Основными источниками первичных космических лучей являются
взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие
энергии (до 10¹⁶ эВ) галактических космических лучей объясняются
ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа
космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации.
На рис. 5 показан спектр всех частиц первичных галактических лучей. В широком
диапазоне энергий спектр апроксимируется соотношением dN/dE ~ E^-2.7.
Особый интерес представляют области энергий 10¹⁵-10¹⁶ эВ
так называемое «колено» (knee) и 10¹⁸-10¹⁹
— «лодыжка» (ankle), в которых наблюдаются аномалии.
Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени
была постоянна в течение ~10⁹ лет. Однако, появились данные, что
30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от
современной (см. рис.6). Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к
Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.

Рис.

5. Спектр всех частиц первичных космических лучей.

Рис. 6. Зависимость интенсивности космических лучей лучей от времени,
полученная при исследовании относительной концентрации космогенных
радиоактивных изотопов

Смотрите также

Ю.И. Стожков «Космические лучи в атмосфере Земли»
А. Петрукович, Л. Зеленый У природы есть и космическая
погода
C. Caso et al, The European Physical Journal C3 (1998) 1 (Cosmic Rays by
T.K. Gaisser and T. Stanev)
What are cosmic rays? (Laboratory of Hight Energy Astrophysics at NASA)
Г.Е.
Кочаров «Экспериментальная палеоастрофизика: достижения и перспективы»

Что такое космические лучи и что о них известно

Люди всегда стремились как можно лучше узнать Вселенную. Но, поскольку полеты к звездам долго оставались чем-то из разряда фантастики, человечество научилось пользоваться подсказками, которые нам дает сам космос

Что такое космические лучи?

Кроме электромагнитного излучения и гравитационных волн, на Землю каждую секунду прилетает множество космических частиц. Их называют космическими лучами. Северное сияние, охота на которое в последние годы стала настоящим трендом — тоже частицы, прилетевшие из космоса, а именно от Солнца.

Однако ученым интересно изучать те лучи, которые достигают планеты из-за пределов Солнечной системы.

Что такое космические лучи и почему у них так много энергии?

Любое вещество состоит из протонов, электронов и нейтронов. Нейтрон — весьма нестабильная частица, поэтому в тех космических лучах, которые проделали долгий путь, нейтронов нет: они распадаются по дороге к Земле. Остаются только протоны и электроны. Однако кроме единичных электронов и протонов в потоках космических лучей могут быть и позитроны (античастицы электронов), и антипротоны. Таким образом, на Землю из космоса постоянно прилетают:

протоны;

электроны;

позитроны;

антипротоны;

ядра элементов.

Как ученые открыли космические лучи

Ученые далеко не сразу поняли, что является источником это излучения, земная кора или космос. Чтобы ответить на этот вопрос, была проведена серия экспериментов.

Первый эксперимент провел австрийский и американский физик Виктор Гесс, получивший за открытие космических лучей Нобелевскую премию в 1936 году. Его идея была проста: сесть в гондолу воздушного шара и лететь вверх, периодически замеряя количество загадочных частиц. Если их будет становиться все больше, значит, эти частицы прилетают из космоса.

Второй эксперимент менее известен и был проведен немного позже, в Италии. Его идея такова: чтобы понять, является ли источником загадочных частиц земная кор, необходимо от нее удалиться на некое расстояние и также замерить количество частиц. При этом необязательно лететь вверх, достаточно сесть в лодку и уплыть на ней как можно дальше от берега. Чем глубже больше будет толща воды, тем дальше земная кора.

В результате серии таких экспериментов ученые пришли к выводу, что поток частиц не изменяется, как бы глубоко ни находилось дно. Значит, чем бы ни являлись эти частицы, их точно излучает не земная кора.

Откуда у космических частиц столько энергии?

Этот вопрос в науке оказался вторым по степени важности. Особенно в первой половине XX века, когда люди еще не умели строить мощных ускорителей, а эксперименты проводить хотелось. Проблема в том, что «вручную» ускорить частицы до таких высоких значений крайне трудно: их энергия в сотни миллионов раз больше, чем энергия частиц в Большом адронном коллайдере.

К примеру, самые сильные космические лучи обладают такой же энергией, как теннисный мяч при подаче профессионального теннисиста. Для микрочастицы это очень много. Этой энергии вполне хватает, чтобы выводить из строя приборы на земной орбите.

Но откуда берется эта огромная энергия в космосе, долго оставалось загадкой. Ученым было ясно одно: эти загадочные космические «ускорители» находится точно не в нашей Галактике.

Галактика Млечный Путь, как и все прочие, обладает магнитным полем. Частицы космических лучей это поле «чувствуют», а значит, двигаются в нем по искривленным траекториям. Насколько магнитное поле может искривить траекторию частицы, зависит от ее энергии: чем выше энергия частицы, тем труднее заставить ее отклониться от изначального пути. Поэтому частицы относительно небольшой энергии легко «запутываются» в галактическом магнитном поле и накапливаются там, долго не покидают Галактику. А частицы самой высокой энергии улетают быстро, фактически не замечая магнитного поля.

Откуда прилетают космические лучи?

Казалось бы, задача простая: зарегистрировать вспышку в небе — свидетельство о прилете космической частицы, — посмотреть на нее через телескоп и понять, что является ее источником. Но оказалось, что это далеко не так просто.

Преодолевая миллиарды световых лет, даже частицы очень высокой энергии оказываются чувствительными к влиянию магнитных полей различных космических объектов и потому немного сбиваются со своей траектории. Поэтому нельзя узнать точно, откуда они прилетают.

Впрочем, ученые нашли способ решить эту задачу: они стали наблюдать за другими частицами — нейтрино. Их особенность заключается в том, что они совсем не чувствительны к влиянию магнитного поля. И вполне вероятно, что нейтрино рождаются в тех же местах, где и ускоряются космические лучи сверхвысокой энергии.

Нейтрино высоких энергий регистрируют с помощью детекторов:

IceCube — на антарктической станции Амундсен-Скотт,

Байкальского нейтринного детектора (Baikal-GVD) — на дне озера Байкал,

ANTARES — в Средиземном море.

Нейтринные детекторы регистрируют довольно большое количество частиц высоких энергий. Это помогло обнаружить интересные совпадения, когда астрономы видели вспышку в гамма-диапазоне и избыток нейтрино высокой энергии на установке IceCube — и это происходило одновременно. Это значит, что можно почти наверняка утверждать, что источник гамма-излучения является одновременно и источником нейтрино высоких энергий. Не исключено, что такие объекты и ускоряют космические лучи высоких энергий. Кстати, одна из гипотез: эти «ускорители» могут быть активными ядрами галактик.

Каждая галактика имеет в центре черную дыру. Эта черная дыра притягивает вещество. Вещество, попадая в черную дыру, часто образует диск вокруг. Лишнее вещество из внутренней части этого диска выбрасывается в виде двух струй — джетов. Теоретически они могут быть очень хорошим источником частиц высокой энергии и космических лучей.

Как космические лучи помогают изучать Солнце

Поскольку интенсивность потока космических лучей тесно связана с солнечной активностью, с их помощью ученые могут изучать Солнце на масштабе многих сотен световых лет. Для этого есть два способа:

Космические лучи провоцируют появление новых химических элементов (например, бора и бериллия) — они образуются в результате реакции скалывания из ядер других элементов, прилетевших на Землю.

Частицы космических лучей взаимодействуют с веществом атмосферы и рождают редкие изотопы. Эти изотопы оседают на поверхность, и ученые могут обнаруживать их во льду или в спилах деревьев.

Опасны ли космические лучи для человека?

Хоть частицы из космоса могут выводить из строя технику на орбите, для человека они не представляют особой опасности.

Человечество от космических лучей надежно защищает атмосфера Земли и Солнце. Чем выше активность Солнца, тем меньше космических лучей попадает к нам из Галактики и внегалактического пространства.

Впрочем, некоторое количество радиации из космоса попадает на Землю: космические лучи все-таки создают небольшой уровень радиоактивности. Однако даже регулярные авиаперелеты, если вы не член экипажа и не летаете ежедневно, не слишком вредят здоровью. Более того, краткосрочное радиоактивное облучение не нанесет существенный урон даже космическим туристам.

Скорее, опаснее была бы обратная история: если бы космических лучей вдруг не стало. Это привело бы к эффекту дистиллированной воды, то есть полному исчезновению естественного радиоактивного фона. Такое обстоятельство, конечно, уменьшило бы количество мутаций в нашей ДНК, но, как известно, мутации бывают не только вредными, но и полезными. В конце концов, это важная часть человеческой эволюции.

Астрономы раскрыли загадку рождения самых мощных космических лучей

https://ria.ru/20171016/1506905064.html

Астрономы раскрыли загадку рождения самых мощных космических лучей

Астрономы раскрыли загадку рождения самых мощных космических лучей — РИА Новости, 16.10.2017

Астрономы раскрыли загадку рождения самых мощных космических лучей

. Первый масштабный анализ свойств космических лучей, падающих на Землю, показал, что самые мощные из них возникают не внутри нашей Галактики, а далеко за ее… РИА Новости, 16.10.2017

2017-10-16T11:38

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/128023/39/1280233938_0:116:1280:836_1920x0_80_0_0_bb82394fabee898979d8d3f5c1bf2b15.jpg

аргентина

германия

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/128023/39/1280233938_143:0:1280:853_1920x0_80_0_0_34277a4da94913b9783555048cd838b5. jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

космос — риа наука, аргентина, германия

Наука, Космос — РИА Наука, Аргентина, Германия

МОСКВА, 16 окт – РИА Новости. Первый масштабный анализ свойств космических лучей, падающих на Землю, показал, что самые мощные из них возникают не внутри нашей Галактики, а далеко за ее пределами, сообщает пресс-служба Технологического института в Карлсруэ.

«Космические лучи можно назвать своеобразными «послами» Вселенной, которые позволяют нам узнать много нового про то, как она возникла и как она выглядит сегодня. Они позволяют нам взглянуть на саму историю космоса. То, что мы зафиксировали избыток лучей, приходящих к нам из определенных точек неба, заметно прояснило то, где находится их потенциальная «родина», — заявил Маркус Рот (Markus Roth) из Технологического института в Карлсруэ (Германия).

25 ноября 2011, 09:10

Галактические пузыри газа оказались фабриками космических лучейГигантские скопления раскаленного газа в межзвездном пространстве — так называемые «суперпузыри», которые были обнаружены ранее над центром нашей галактики — оказались одним из основных источников космических лучей, «кокон» из которых окружает границы этих небесных объектов, пишут астрономы в статье, опубликованной в журнале Science.

Космические лучи были открыты в 1912 году австрийским физиком Виктором Хессом во время одного из полетов на воздушном шаре, в ходе которых он замерял уровень радиации в атмосфере. Они представляют собой элементарные частицы и ядра атомов разных элементов, разогнанные до околосветовых скоростей, давно представляют одну из главных загадок для науки и источников опасности для здоровья космонавтов и астронавтов.

На сегодняшний день среди ученых нет консенсуса об их происхождении – часть астрономов считает, что эти частицы разгоняются в горячих останках взорвавшихся звезд внутри Млечного Пути, а другие предполагают, что их источником являются ядра и облака газа в далеких галактиках. Что еще интереснее, третья группа исследователей считает, что их порождают распады частиц темной материи в центре Галактики.

Рот и его коллеги уже почти десять лет наблюдают за космическими лучами, которым удается «пробить» атмосферу Земли и достичь ее поверхности, используя мощности телескопа Пьера Оже, построенного в 2008 году специально для наблюдений за частицами высоких энергий в аргентинской части Анд.

Магнитный «щит» и атмосфера Земли, как отмечают исследователи, в данном случае играют роль своеобразного фильтра, так как их могут пробить лишь самые мощные космические лучи, обладающие достаточно высокой скоростью движения и энергией. Наблюдая за тем, откуда они прилетают, ученые пытались понять, является ли их источником Галактика или ее «соседи».

14 февраля 2014, 17:26

Ученые объяснили неравномерность попадания космических лучей на ЗемлюЗонд IBEX помог ученым выяснить, что галактические лучи попадают на Землю неравномерно из-за вытянутой формы гелиосферы.

Первые промежуточные итоги этих наблюдений были опубликованы в 2009 году, и они показали, что самые мощные лучи имеют внегалактическое происхождение. Не все поверили в подобные замеры, так как телескоп «Ферми», следивший за центром Млечного Пути, параллельно показал, что туманности, оставшиеся после взрывов сверхновых, тоже являются источником частиц высокой энергии.

По этой причине Рот и его коллеги потратили последующие 8 лет на накопление дополнительных порций данных, которые, как надеялись астрофизики, должны были подтвердить их первоначальную гипотезу.

Недавно этот процесс был завершен, и сейчас, по словам Рота, можно с уверенностью говорить о том, что самые мощные космические лучи действительно имеют внегалактическое происхождение. Их самые яркие «очаги», как показывают данные с телескопа Пьера Оже, находятся на очень большом расстоянии от ядра Галактики, эквивалентном тому, если бы мы взяли и склеили друг с другом примерно 240 полных Лун.

19 июля 2017, 11:53

Ученые выяснили, что порождает загадочные гамма-лучи в центре Галактики

Их источник, как отмечают астрономы, пока остается загадкой, однако они, судя по частоте падения на Землю и другим свойствам, возникли в близлежащих галактиках, расположенных на небольшом расстоянии от Млечного Пути.

В ближайшее время детекторы обсерватории Пьера Оже будут обновлены. Это, по словам Рота, позволит ей не только наблюдать за частицами, чья энергия будет в десятки и сотни раз выше, чем у текущего «улова» космических лучей, но и найти их источник, так как атмосфера Земли не будет сильно искривлять траекторию движения столь сильно разогнанных частиц.

космических зарядов | Данные Земли

О данных
О GHRC DAAC
Скачать PDF

Подключите свой мобильный телефон или даже что-то столь же обыденное, как ваш тостер, и токи послушно пульсируют в кабелях и пролетают в проводах. Мы приручили электричество и нашли ему хорошее применение. Или мы так думаем. Вся атмосфера Земли пронизана электричеством, но мы осознаем это только тогда, когда видим молнию — электричество, ставшее видимым, — сверкающее по небу.

Ученые обнаружили, что молния — это больше, чем просто световое шоу природы: она может создавать опасную погоду, отключать электроэнергию и даже способствовать загрязнению воздуха. Однако электрическая среда Земли не является замкнутой цепью. Он может получать толчки от необычного внеземного источника: галактических космических лучей. «Наша атмосфера подвергается бомбардировке космическими лучами каждую секунду», — сказала Фемида Хронис из Греческого центра морских исследований. Галактические космические лучи могут показаться материалом для видеоигр, но Хронис обнаружил, что эти лучи могут подпитывать приливы и отливы земных молний.

Изображение

Как показано на этой фотографии, грозы разряжают электричество в виде вспышек облаков и земли. Каждый тип молнии может по-разному влиять на качество воздуха и атмосферное электричество. (Courtesy K. Arnett)

Гигантская батарея

Несмотря на свое название, космические лучи вовсе не лучи. Когда они были впервые обнаружены, ученые предположили, что это лучи, проходящие через пространство, подобные солнечному свету, и неправильное название прижилось. На самом деле это крошечные атомные частицы, выпущенные в результате далеких и древних межзвездных событий, таких как взрывы сверхновых. Когда эти частицы рикошетят по всей галактике, как бильярдные шары, сила и скорость их движения отрывают электроны, часто превращая их в положительно заряженные протоны к тому времени, когда они достигают Земли.

Когда космические лучи попадают в атмосферу, они могут быть одним из факторов образования молнии. «Вы можете рассматривать атмосферу вокруг Земли как гигантскую батарею», — сказал Хронис. Космические лучи заряжают и электризуют атмосферу Земли, а молнии разряжают часть этой энергии. Хронис был заинтригован тем, какую роль сыграли космические лучи в возникновении молний по всей Земле. В то время он завершал постдокторское исследование в Глобальном центре гидрологии и климата НАСА, расположенном совместно с Распределенным активным архивным центром Глобального гидрометеорологического ресурсного центра НАСА (GHRC DAAC), в котором хранятся данные Национальной сети обнаружения молний (NLDN). «У меня был весь этот набор данных, который никто другой не рассматривал таким образом», — сказал он. «Это самая совершенная система обнаружения молний в мире, и данные восходят к 19 годам.88».

Уменьшение Форбуша

Используя данные NLDN, Chronis сравнил ежедневные удары молний от облака к земле с данными об активности космических лучей над континентальной частью Соединенных Штатов. Он обнаружил, что частота молнии действительно связана с потоком космических лучей, которые, в свою очередь, управляются другими галактическими процессами, такими как солнечные вспышки.

Изображение

На этой карте Соединенных Штатов показано общее количество ударов молнии в землю из 1990 по 2005 год над США. Зеленый цвет указывает на наименьшее количество ударов, а красный — на наибольшее количество ударов. Удары молнии чаще всего происходят в юго-восточной части страны, в таких штатах, как Флорида и Техас. Данные взяты из Национальной сети обнаружения молний (NLDN). (Courtesy T. Chronis)

«Солнечная вспышка может уменьшить космические лучи, попадающие в атмосферу Земли», — сказал Хронис. Во время солнечных вспышек Солнце выбрасывает огромное количество плазменного газа, который отклоняет космические лучи, временно сметая их с Земли. Хронис обнаружил, что эти внезапные понижения, называемые понижениями Форбуша, также уменьшили количество молний примерно на четыре-пять дней после этого: события Форбуша временно сделали атмосферу Земли менее проводящей, что привело к меньшему количеству молний.

Химия в мгновение ока

Хотя выводы Хрониса являются предварительными, такая крупномасштабная связь между космическими лучами и молнией имеет более глубокие последствия для исследователей. Ученые до сих пор не до конца понимают электрическую среду Земли. Но понимание молнии может помочь понять, как атмосферное электричество влияет на нашу повседневную жизнь, в том числе на качество воздуха, которым мы дышим.

Уильям Кошак, научный сотрудник Центра космических полетов им. Маршалла, изучает влияние молнии на химический состав воздуха. Он сказал: «Молния является одним из наиболее важных источников оксидов азота в верхних слоях тропосферы и связана со всей проблемой качества воздуха и глобального потепления». Молния производит газообразные оксиды азота оксид азота и диоксид азота, которые являются токсичными загрязнителями воздуха. В результате химической цепной реакции в атмосфере эти загрязняющие вещества могут образовывать озон, который смешивается с антропогенным озоном, вырабатываемым выхлопными газами автомобилей и электростанциями. В верхних слоях атмосферы озон защищает нас от чрезмерного солнечного излучения. Однако в нижних слоях атмосферы озон вреден для человека и связан с сердечными приступами, астмой и другими проблемами со здоровьем.

Изображение

На этом изображении солнца запечатлено мощное извержение солнечной вспышки. Интенсивные солнечные вспышки могут временно прерывать галактические космические лучи, которые обычно проникают в атмосферу Земли. Ученые обнаружили, что это уменьшение космических лучей также снижает частоту молний на Земле. (Любезно предоставлено НАСА)

Исследователи, которые оценивают загрязнение воздуха и помогают определить дни с плохим воздухом, в равной степени заинтересованы, потому что современные компьютерные модели не учитывают должным образом оксиды азота, образующиеся при ударе молнии. Кроме того, ученые недостаточно знают об электрической среде Земли, чтобы определить, какой тип молнии вносит больше оксидов азота в атмосферу: наземные вспышки или облачные вспышки.

«Если у вас есть лучшее понимание того, с каким количеством наземных и облачных вспышек вы имеете дело, и более подробная информация о длине канала молнии, токе и высоте, то вы можете лучше оценить количество оксидов азота от молнии. , что, в свою очередь, помогает лучше оценить содержание озона. Это сложная проблема», — сказал Кошак.

Будущие потребности

У ученых пока нет всех инструментов, необходимых для решения этой проблемы в глобальном масштабе. Большинство сетей Lightning, таких как NLDN, содержат большое количество данных. Однако эти сети являются наземными, что ограничивает их использование определенными областями. Датчики молний на спутниках могут регистрировать удары молнии по всему миру, но им не хватает способности различать вспышки на земле и в облаках. «Когда вы наблюдаете за молнией из космоса, облако загораживает вам обзор», — сказал Кошак. Поэтому Кошак разрабатывает алгоритм, который позволит космическим датчикам оценивать, какая доля молнии падает на землю.

Кошак, Хронис и другие исследователи молнии надеются, что будущие датчики раскроют некоторые тайны молнии и электрической среды Земли. В настоящее время существует только один космический датчик молний и несколько наземных сетей, которые наблюдают за грозовой активностью в глобальном масштабе. НАСА и Национальное управление океанических и атмосферных исследований сотрудничают для запуска новой миссии серии геостационарных эксплуатационных экологических спутников-R (GOES-R), которая будет включать в себя прибор для картографирования молний. Этот датчик будет постоянно отслеживать молнии в Западном полушарии, помогая улучшить предупреждения о суровой погоде и обеспечить лучшее понимание образования оксида азота в молниях, что имеет решающее значение для улучшения регионального моделирования качества воздуха.

Исследование Хрониса показало, что галактические космические лучи влияют на количество ударов молнии над Соединенными Штатами. Он по-прежнему размышляет над более важными вопросами о молниях, например, что происходит с электрическими свойствами облаков, воды и льда внутри них после разрядов молнии. Chronis планирует воспользоваться глобальным обзором молнии, который обеспечит новый датчик. Он сказал: «Нам придется подождать несколько лет, чтобы разработать временной ряд, но у нас будут наблюдения молний каждые пару миллисекунд по всему полушарию».

Ссылки

Chronis, T.G. 2009. Исследование возможных связей между потоками приходящих космических лучей и грозовой активностью над США. Journal of Climate 22: 5,748-5,754, doi: 10.1175/2009JCLI2912.1.

Кошак, В. Дж. 2010. Оптические характеристики вспышек OTD и их значение для распознавания типов вспышек. Журнал атмосферных и океанических технологий , doi: 10.1175/2010JTECHA1405.1.

Дополнительная информация

Центр распределенных активных архивов Глобального центра гидрометеорологических ресурсов НАСА (GHRC DAAC)

Национальная сеть обнаружения молний

Космический центр НАСА имени Маршалла

Греческий центр морских исследований

0 О данных

Сеть	Национальная сеть обнаружения молний (NLDN), управляемая Vaisala, Incorporated
Сенсор	Датчики молний Vaisala IMPACT ESP
Наборы данных	GAI Lightning Ground Strikes и Vaisala U. S. NLDN Flash Data
Разрешение	Континентальный номер США
Параметр	Молния
DAAC	Глобальный центр гидрометеорологических ресурсов НАСА Распределенный активный архивный центр (GHRC DAAC)

Первый наземный имитатор галактических космических лучей НАСА: открывает новую эру в исследованиях космической радиобиологии

. 2020 19 мая; 18 (5): e3000669.

doi: 10.1371/journal.pbio.3000669.

Электронная коллекция 2020 май.

Лиза С Симонсен ¹ , Тони Си Слаба ¹ , Питер Гуида ² , Адам Русек ²

Принадлежности

¹ Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния, Соединенные Штаты Америки.
² Брукхейвенская национальная лаборатория, Брукхейвен, Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки.

PMID:
32428004
PMCID:
PMC7236977
DOI:
10.1371/journal.pbio.3000669

Бесплатная статья ЧВК

Лиза С. Симонсен и соавт.

PLoS биол.

2020 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2020 19 мая; 18 (5): e3000669.

doi: 10. 1371/journal.pbio.3000669.

Электронная коллекция 2020 май.

Авторы

Лиза С Симонсен ¹ , Тони Си Слаба ¹ , Питер Гуида ² , Адам Русек ²

Принадлежности

¹ Исследовательский центр НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния, Соединенные Штаты Америки.
² Брукхейвенская национальная лаборатория, Брукхейвен, Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки.

PMID:
32428004
PMCID:
PMC7236977
DOI:
10. 1371/journal.pbio.3000669

Абстрактный

Благодаря новым захватывающим планам НАСА по устойчивому возвращению на Луну астронавты снова покинут защитную магнитосферу Земли только для того, чтобы выдержать более высокие уровни галактического космического излучения (GCR) и возможность крупного события с солнечными частицами (SPE). Шлюз, лунные посадочные модули и наземные жилые помещения будут спроектированы для защиты экипажа от SPE за счет оптимизации транспортных средств, концепций укрытия от штормов и/или активной дозиметрии; тем не менее, когда-либо проникающие GCR будут по-прежнему представлять наиболее значительные риски для здоровья, особенно по мере увеличения продолжительности лунных миссий и по мере того, как НАСА нацеливается на Марс. Основные риски, вызывающие озабоченность, включают канцерогенез, воздействие на центральную нервную систему (ЦНС), приводящее к потенциальным когнитивным или поведенческим нарушениям во время миссии и/или поздним неврологическим расстройствам, дегенеративным эффектам тканей, включая сердечно-сосудистые и сердечные заболевания, а также потенциальное ослабление иммунной системы, влияющее на множественные аспекты здоровья экипажа. Характеристика и смягчение этих рисков требует значительного снижения больших биологических неопределенностей хронического (низкого уровня дозы) облучения тяжелыми ионами и проверки контрмер в соответствующей космической среде. Исторически сложилось так, что большинство исследований по пониманию рисков для здоровья, связанных с космической радиацией, проводилось с использованием острого облучения моноэнергетическими одноионными пучками. Однако космическая радиационная среда состоит из большого разнообразия видов ионов в широком диапазоне энергий. Используя технологию систем быстрого переключения лучей и управления, недавно разработанную в Лаборатории космических излучений НАСА (NSRL) в Брукхейвенской национальной лаборатории, возможна новая эра в радиобиологических исследованиях. НАСА разработало «симулятор GCR» для генерации спектра ионных пучков, который приближается к первичному и вторичному полю GCR, наблюдаемому в местах расположения органов человека внутри космического корабля. Большая часть дозы поступает от протонов (приблизительно 65–75 %) и ионов гелия (приблизительно 10–20 %), а остальную часть составляют более тяжелые ионы (Z ≥ 3). Симулятор GCR подвергает современные клеточные и животные модельные системы воздействию 33 последовательных лучей, включая 4 энергии протонов плюс деструктор, 4 энергии гелия плюс деструктор и 5 тяжелых ионов C, O, Si, Ti и Fe. Система разложения полиэтилена используется с пучками водорода и гелия с энергией 100 МэВ/н для обеспечения почти непрерывного распределения низкоэнергетических частиц. Облучение в 500 мГр, доставляющее дозы от каждого из 33 лучей, требует примерно 75 минут. Для более точного моделирования мощностей малых доз, наблюдаемых в космосе, последовательные полевые облучения можно разделить на ежедневные доли в течение от 2 до 6 недель с отдельными фракциями пучка от 0,1 до 0,2 мГр. В конфигурации с большим пучком (60 × 60 см2) в 54 специальных клетках могут разместиться от 2 до 3 мышей в каждой в течение примерно 75 минут или 15 крыс, содержащихся в индивидуальном помещении. 15 июня 2018 г. НРЛ добилась значительного успеха, выполнив первый боевой запуск с использованием нового тренажера GCR. В этом документе обсуждается инновационное технологическое решение НАСА для наземного симулятора GCR в NSRL, чтобы ускорить наше понимание и снизить риски для здоровья, с которыми сталкиваются астронавты. В конечном счете, симулятор GCR потребует валидации по множеству радиогенных рисков, конечных точек, доз и мощностей доз.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Цифры

Рис. 1. Три ключевые области, которые должны…

Рис. 1. Три ключевые области, которые необходимо развивать вместе, чтобы в конечном итоге обеспечить GCR…

Рис. 1. Три ключевые области, которые необходимо разработать вместе, чтобы в конечном итоге создать симулятор GCR в NSRL.

Разработка была сосредоточена на установлении требований к облучению и уравновешивании возможностей и ограничений установки, включая ограничения, налагаемые системами животных и клеточных моделей. ГКЛ — галактическое космическое излучение; NSRL, Лаборатория космической радиации НАСА.

Рис. 2. Относительный вклад в флюенс (квадраты),…

Рис. 2. Относительный вклад в флюенс (квадраты), дозу (ромбы) и эквивалент дозы (кружки) различных…

Рис. 2. Относительный вклад в флюенс (квадраты), дозу (ромбы) и эквивалентную дозу (кружки) различных элементов в среде ГКЛ в свободном пространстве в условиях солнечного минимума (июнь 1976 г. ), как описано Бадхваром-О’Нилом, 2010 г. Модель GCR [14] (адаптировано из Durante и Cucinotta [3]).

Данные графика доступны в данных S1. ГКЛ, галактическое космическое излучение.

Рис. 3

Спектры частиц ГКЛ на солнечной…

Рис. 3

Спектры частиц ГКЛ в условиях солнечного минимума (июнь 1976 г.) обозначены сплошными линиями…

Рис 3

Спектры частиц ГКЛ в условиях солнечного минимума (июнь 1976 г.) обозначены сплошными линиями, а в условиях солнечного максимума (июнь 2001 г.) обозначены пунктирными линиями в (А) свободном пространстве и (Б) за 20 г/см ² алюминия в женские BFO, как описано в модели GCR Badhwar-O’Neill 2010 [14], транспортном коде HZETRN [13,16,17] и человеческих фантомах [15,18,19]. Данные графика доступны в данных S1. BFO, орган кроветворения; ГКЛ — галактическое космическое излучение; HZERN, Высокий заряд и перенос энергии.

Рис. 4. Экранирование автомобиля в сочетании с…

Рис. 4. Экранирование транспортного средства сочетается с экранированием, обеспечиваемым телом члена экипажа, окружающим…

Рис. 4. Экранирование транспортного средства в сочетании с экраном, обеспечиваемым телом члена экипажа, окружающим критические органы, для определения первичной и вторичной радиационной обстановки в точках внутри члена экипажа.

(A) Человеческие фантомы используются для расчета самозащиты тела критических органов. (B) Толщина экрана, обеспечиваемая транспортным средством, изображена в виде зеленых пересекающихся лучей в исследовательском транспортном средстве экипажа (аналогично Ориону).

Рис. 5. Три основные стратегии для луча…

Рис. 5. Три основные стратегии выбора луча.

(A) Выбор балки соответствует…

Рис. 5. Три основные стратегии выбора луча.

(A) Выбор луча представляет внешний спектр GCR в свободном пространстве и аппроксимируется дискретными ионными и энергетическими пучками, направляемыми на защитный и тканеэквивалентный материал, помещенный в пределах линии луча перед биологической мишенью. (B) Выбор луча представляет собой экранированный спектр ткани, обнаруженный в космосе (например, средний поток ткани за защитой транспортного средства), и аппроксимируется дискретными ионными и энергетическими лучами, доставляемыми непосредственно на биологическую цель. (C) Выбор луча репрезентативен для энергий, меньших, чем свободное пространство, с меньшим количеством экранирования транспортного средства и различной толщиной материалов, эквивалентных тканям, чтобы представить различия в самозащите тела между физическими размерами видов. ГКЛ, галактическое космическое излучение.

Рис. 6. Спектры эталонного поля в…

Рис. 6. Спектры эталонного поля в женских БФО за 20 г/см ² алюминия…

Рис. 6. Спектры эталонного поля в женских BFO за 20 г/см ² алюминиевого экрана в условиях солнечного минимума.

(A) Энергетические спектры нейтронов, водорода и гелия. (B) Соответствующие дифференциальные спектры ЛПЭ с вкладами водорода и гелия и без них. На основе расчетов Slaba et al., 2016 [8]. Данные графика доступны в S1 Data. BFO, кроветворный орган; LET, линейная передача энергии.

Рис. 7. Иллюстрация стратегии выбора луча…

Рис. 7. Иллюстрация стратегии выбора луча для симулятора GCR.

Полный спектр ЛПЭ (свет…

Рис. 7. Иллюстрация стратегии выбора луча для симулятора GCR.

Общий спектр LET (голубой) и спектр HZE (темно-синий) показаны отдельно. Зеленые столбцы представляют количество экспериментов с одним ионным пучком, проведенных в NSRL, в зависимости от LET (масштабировано для ясности графика). Черная линия представляет взвешивание фактора качества ICRP-60 [11] для оценки биологического повреждения (масштабировано для ясности графика). Данные графика доступны в S1 Data. ГКЛ — галактическое космическое излучение; HZE, ионы с высоким зарядом и высокой энергией; МКРЗ, Международная комиссия по радиологической защите; LET, линейная передача энергии; NSRL, Лаборатория космической радиации НАСА.

Рис. 8. Представление эталонного поля…

Рис. 8. Представление опорного поля дискретными моноэнергетическими пучками.

Водород и гелий…

Рис. 8. Представление эталонного поля дискретными моноэнергетическими пучками.

Энергетические спектры водорода и гелия рассматриваются непосредственно (A), тогда как ионы HZE представлены в спектре ЛПЭ (B). Сплошные синие линии — эталонные спектры на рис. 6. Ширина бинов для протонов с энергией 1 ГэВ/н и частиц гелия указана при более низких плотностях и не показана на рисунке; однако эти данные включены в дополнительный файл данных. Все данные графика доступны в S1 Data. HZE, ионы с высоким зарядом и высокой энергией; LET, линейная передача энергии.

Рис. 9. Воксельные модели мыши и крысы…

Рис. 9. Воксельные модели мыши и крысы, используемые для оценки распределения дозы в тканях от…

Рис. 9. Воксельные модели мыши и крысы, используемые для оценки распределения дозы в тканях при моделировании GCR.

Digimouse (A) был масштабирован с коэффициентом 3,15 для получения и оценки самозащиты тела крысы, называемой здесь «digirat» (B). Транспортировка полного поля имитации GCR обеспечивает однородное распределение дозы в воксельной мышиной модели (A) и масштабированной крысиной модели (B). ГКЛ, галактическое космическое излучение.

Рис. 10. Кумулятивная доза как функция…

Рис. 10. Кумулятивная доза как функция LET при сравнении смоделированных сред внутри фантомов с…

Рис. 10. Кумулятивная доза в зависимости от LET при сравнении моделируемой среды внутри фантомов с эталонным полем и экспозицией луча имитации GCR.

Данные графика доступны в данных S1. ГКЛ — галактическое космическое излучение; LET, линейная передача энергии.

Рис. 11. Схема объекта НРЛ на…

Рис. 11. Схема объекта НРЛ в БНЛ.

(A) Инструменты для надежного управления системным оборудованием…

Рис. 11. Схема объекта НРЛ в БНЛ.

(A) Инструменты для надежного управления настройками оборудования системы, от производства ионов с помощью LIS до впрыска бустера, ускорения, извлечения и доставки в целевую комнату NSRL, были разработаны для последовательной доставки комбинаций ионно-энергетического пучка симулятора GCR. (B) Положение камеры формирования изображения за мишенью (вверху, слева), отсекающей камеры (вверху, справа) рядом с входом луча в комнату-мишень и фотография системы деструктора большой площади (бинарного фильтра) ( внизу) в линии луча НРЛ для сохранения контроля и однородности 60 × 60 см ² балка. BNL, Брукхейвенская национальная лаборатория; EBIS, источник ионов электронного пучка; ГКЛ — галактическое космическое излучение; LINAC, линейный ускоритель; ЛИС, лазерный источник ионов; NSRL, Лаборатория космической радиации НАСА.

Рис. 12

Корпус для мыши (A)…

Рис. 12

Корпус для облучения мышей (A) и крыс (B) в формате 60 ×…

Рис. 12

Корпус для облучения мышей (A) и крыс (B) пучком 60 × 60 см ² . Коробки для экспонирования, изготовленные из полиэтилена толщиной примерно 2 мм, складываются вместе и удерживаются в виде массива с помощью изготовленной каркасной конструкции. (C) Предусмотрены вентиляционные крышки для циркуляции воздуха. Невентилируемые стороны крышек окрашены в красный цвет, что служит быстрой визуальной индикацией того, что крышки находятся в правильной ориентации для потока воздуха.

Рис. 13

Модифицированный инкубатор для использования в…

Рис. 13

Модифицированный инкубатор для использования в лучевой линии (A) с держателем, который может вместить…

Рис. 13

Модифицированный инкубатор для использования в лучевой линии (A) с держателем, вмещающим до 15 колб T75 в массиве 3 × 5 или 44 колбы T25 (B).

Рис. 14. Снимок экрана компьютера для измерения GCR…

Рис. 14. Снимок экрана компьютера, на котором измеряются дозы симулятора ГКЛ на частицу для 20,8 мГр…

Рис. 14. Снимок экрана компьютера, на котором измеряются дозы симулятора ГКЛ на частицу для цикла 20,8 мГр.

GCR, галактическое космическое излучение.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Цитируется

Количественные протеомные аналитические подходы к выявлению метаболических изменений в медиальной префронтальной коре крыс, подвергшихся воздействию космического излучения.
Laiakis EC, Pinheiro M, Nguyen T, Nguyen H, Beheshti A, Dutta SM, Russell WK, Emmett MR, Britten RA.
Laiakis EC и соавт.
Фронт Физиол. 2022 авг 26;13:971282. doi: 10.3389/fphys.2022.971282. Электронная коллекция 2022.
Фронт Физиол. 2022.
PMID: 36091373
Бесплатная статья ЧВК.
Качество света модулирует фотосинтез и антиоксидантные свойства растений B. vulgaris L. из семян, облученных тяжелыми ионами высокой энергии: значение для выращивания в космосе.
Витале Э., Иззо Л.Г., Амитрано С., Великова В., Цонев Т., Симониелло П., Де Микко В., Арена С.
Витале Э. и др.
Растения (Базель). 2022 10 июля; 11 (14): 1816. дои: 10.3390/растения11141816.
Растения (Базель). 2022.
PMID: 358
Бесплатная статья ЧВК.
Опухоли легких, индуцированные тяжелыми ионами: зависимость от дозы и LET.
Чанг П.Ю., Бакке Дж., Розен С.Дж., Бьорнстад К.А., Мао Дж.Х., Блейкли Э.А.
Чанг П.Ю. и др.
Жизнь (Базель). 2022 17 июня; 12 (6): 907. doi: 10. 3390/life12060907.
Жизнь (Базель). 2022.
PMID: 35743938
Бесплатная статья ЧВК.
Моделирование риска сердечно-сосудистых заболеваний для астронавтов: прыжок с Земли в космос.
Хафф Дж.Л., Плант И., Блаттниг С.Р., Норман Р.Б., Литтл М.П., Кера А., Симонсен Л.С., Патель З.С.
Хафф Дж.Л. и др.
Front Cardiovasc Med. 2022 19 мая; 9:873597. doi: 10.3389/fcvm.2022.873597. Электронная коллекция 2022.
Front Cardiovasc Med. 2022.
PMID: 35665268
Бесплатная статья ЧВК.
Обзор.
Текущий обзор биологических эффектов комбинированных факторов космической среды у млекопитающих.
Сюй Ю, Пэй В, Ху В.
Сюй Ю и др.
Front Cell Dev Biol. 2022 12 апр; 10:861006. doi: 10.3389/fcell.2022.861006. Электронная коллекция 2022.
Front Cell Dev Biol. 2022.
PMID: 35493084
Бесплатная статья ЧВК.
Обзор.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

использованная литература

1. Национальный совет по радиационной защите (NCRP). Информация, необходимая для разработки рекомендаций по радиационной защите для космических миссий за пределами низкой околоземной орбиты. Отчет NCRP 153, Бетесда, Мэриленд; 2006.
1. Национальный исследовательский совет (NRC). Риски для здоровья от воздействия низких уровней ионизирующего излучения Отчет BEIR VII по фазе 2. Издательство национальных академий; 2006.
1. Дуранте М., Кучинотта Ф.А. Физические основы радиационной защиты при космических полетах. Преподобный Мод. физ. 83, 2011. стр. 1245–1281.
1. Норбери Дж.В., Шиммерлинг В., Слаба Т.К., Аззам Э.И., Бадави Ф.Ф., Байокко Г. и др. Моделирование галактических космических лучей в Лаборатории космических излучений НАСА. Науки о жизни в космических исследованиях, 8, 2016 г., стр. 38–51. 10.1016/ж.лсср.2016.02.001
  —
  DOI
  —
  ЧВК
  —
  пабмед
1. Сихвер Л. Физические и биофизические эксперименты, необходимые для улучшения оценки рисков в космосе. Acta Astronautica 63, 2008. стр. 886–898.

Типы публикаций

термины MeSH

Грантовая поддержка

Эта работа была выполнена в соответствии с соглашениями NNJ12HA64I и NNJ16HP161 между НАСА и Брукхейвенской национальной лабораторией Министерства энергетики США. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Команда

UW работает над защитой от космической радиации

МЭДИСОН, Висконсин — От миссий на Марс до колоний на Луне — у человечества есть несколько амбициозных планов путешествий, которые простираются далеко за пределы нашей планеты.

«Освоение космоса — большая проблема этого века», — сказала Елена Д’Онгиа, доцент астрономии Университета Висконсин-Мэдисон.

Что нужно знать

Частицы космического излучения представляют угрозу для людей, выполняющих долгосрочные космические миссии
Команда UW-Madison недавно получила грант НАСА на усовершенствование своей конструкции, защищающей космических путешественников от радиации
Их конструкция основана на портативном магнитном поле, которое может отклонять частицы до того, как они попадут в космический корабль
Технология может быть важна для будущих миссий, таких как путешествие на Марс или постоянные базы на Луне

Но космос полон опасностей для людей-путешественников. И одной большой проблемой для более длительных миссий является проблема космического излучения — энергетических частиц, которые летают в космосе и могут нанести вред человеческому телу.

Теперь Д’Онгиа и другие исследователи Университета Вашингтона пытаются найти способ защитить астронавтов от этих частиц, когда они продвигаются глубже в Солнечную систему. Ее команда недавно получила финансирование от НАСА, чтобы продолжить работу над своей концепцией — переносным магнитным полем, которое может отражать излучение космического корабля.

Космическое излучение может звучать как научно-фантастическое оружие. Но это очень реальная угроза для людей в космосе, сказал Д’Онгиа, и людям необходимо решить важнейшую проблему, прежде чем мы отправимся в наши межпланетные путешествия.

«Пока мы не решим эту проблему, я не думаю, что возможно исследование космоса людьми в долгосрочных миссиях», — сказал Д’Онгиа. «Мы не выживем».

Космическая угроза

В космосе то, что может выглядеть как пустая пустота, на самом деле заполнено крошечными частицами, летящими вокруг на высоких скоростях.

Космическое излучение, которое может исходить от взрывающихся звезд или других событий даже за пределами нашей Солнечной системы, окружает нас повсюду во Вселенной. Но здесь, на Земле, у нас есть некоторая защита от этих заряженных частиц, объяснил Д’Онгиа.

«Наш вид достаточно защищен на Земле, потому что у нашей планеты есть магнитное поле», — сказала она. «Это похоже на кокон вокруг Земли, и в основном отклоняет все эти частицы, исходящие от солнца или нашей галактики».

Это магнитное поле выходит за пределы нашей планеты, сказал Паоло Дезиати, научный сотрудник UW-Madison, который сотрудничает с Д’Онгией в проекте. По его словам, когда астронавты находятся на Международной космической станции, например, они все еще находятся в зоне действия защитного экрана Земли.

Но «если вы отправитесь еще дальше на Луну или Марс, тогда это другой вопрос», — сказал Дезиати, изучающий космические лучи в Висконсинском центре астрофизики частиц IceCube.

Как только космические путешественники покидают магнитное поле Земли, частицы космического излучения могут проходить через их тела, объяснил Д’Онгиа. Это плохая новость, потому что по мере прохождения эти частицы оставляют после себя запасы энергии, которые могут повредить человеческое тело.

Точные медицинские последствия воздействия космического излучения все еще изучаются, говорят исследователи, но они могут включать в себя все, от повреждения сердца до неврологических проблем и мутации ДНК.

До сих пор астронавты выходили за пределы магнитного поля Земли только для коротких поездок, таких как миссии на Луну, которые длятся несколько дней, сказал Д’Онгиа. Однако по мере того, как мы устремляемся дальше в космос, нам придется иметь дело с радиацией на постоянной основе.

«Для очень длительного путешествия на Марс проблема заключается в том, что это низкое воздействие радиации в течение нескольких месяцев, одного, двух или трех лет потенциально очень опасно», — сказал Дезиати.

От мозгового штурма до гранта НАСА

Разработка технологий для НАСА не совсем обычная работа для этих двух исследователей. Их обычные исследования имеют тенденцию быть более абстрактными: Д’Онгиа занимается динамикой далеких галактик, а Дезиати изучает свойства космических лучей.

Но после опасений по поводу здоровья несколько лет назад, от которых она сейчас оправилась, Д’Онгиа сказала, что думает о том, как она могла бы оказать более непосредственное влияние.

Паоло Дезиати и Елена Д’Онгиа. (Фото предоставлено Паоло Дезиати)

— Я думал, что жизнь может быть короткой, — сказал Д’Онгиа. «Я хотел сделать что-то более полезное для общества».

Итак, когда встал вопрос о космической радиации — во время мозгового штурма в кофейне, что они делали регулярно — они решили отнестись к этому серьезно. Они приступили к поиску способа предотвратить попадание опасных частиц в тела астронавтов.

Чтобы отклонить излучение во время космических миссий, Д’онгиа и Дезиати решили, что они могут черпать вдохновение из того, что происходит на нашей планете, где магнитные силы защищают нас.

«Мы просто имитировали то, что делает природа», — сказал Д’Онгиа. «Обычно природа умнее нас».

На Земле магнитосфера поддерживается сверхгорячими силами глубоко внутри планеты, – сказал Д’Онгиа.

Чтобы создать свой собственный радиационный экран, исследователи решили положиться на сверхпроводники, которые пропускают сильные электрические токи через серию катушек для создания магнитных сил. По словам Дезиати, размещая катушки определенным образом, они могут формировать защитное поле в соответствии со своими потребностями.

«Мы можем создать искусственное магнитное поле, которым мы сможем окружить космический корабль», — сказал Дезиати. «И это немного похоже на мини-Землю».

Но космический полет дело тонкое, и создать систему, соответствующую его ограничениям, может быть непросто. По словам Дезиати, прошлые исследователи уже предлагали использовать магнитные поля, но у них возникли проблемы с разработкой чего-то достаточно легкого для запуска.

Это были вопросы, которые два исследователя не могли решить сами по себе, поэтому они начали привлекать помощь.

Частично это включало регистрацию в программе UW-Madison «От открытия к продукту», или D2P, сказал Дезиати. По его словам, программа помогла им мыслить как предприниматели, выясняя вопросы источников финансирования и потенциальных клиентов, чтобы воплотить свою идею в жизнь.

Исследователи также знали, что им нужны инженерные умы, чтобы решить технические вопросы. Поэтому они наняли группу студентов-инженеров из Университета Вашингтона в Мэдисоне, чье творческое мышление помогло придумать дизайн устройства, сказал Д’Онгиа.

Проект прошел долгий путь, начиная с беседы в кофейне и заканчивая побочным проектом и обычной рабочей нагрузкой исследователя, отметил Дезиати.

«У нас не было на это денег, — сказал Д’Онгиа. — И это было во время пандемии.

Облегчение нагрузки

Ранее в этом году эта конструкция, которую команда назвала CREW HaT, была одобрена НАСА в рамках ее инновационной программы передовых концепций. По словам Д’Онгиа, программа предназначена для признания идей, которые могут изменить будущие космические миссии, и предоставит команде финансирование для дальнейшего совершенствования своей концепции.

Модель CREW HaT, предназначенная для создания магнитного поля против космического излучения. (Любезно предоставлено Паоло Дезиати)

Когда вы пытаетесь отправить что-то в космос, одной из главных проблем является вес. По словам Дезиати, в дизайне команды используется новая установка, позволяющая отклонять частицы, оставаясь при этом максимально легкими.

Прошлые попытки основывались на идее замкнутого магнитного поля, объяснил он, когда наэлектризованные катушки закручиваются в тесные цилиндры. По его словам, размещение этих цилиндров вокруг космического корабля создает интенсивные магнитные силы, которые могут отталкивать частицы, как зеркало, но также требуются массивные, тяжелые конструкции, чтобы удерживать все вместе.

Модель CREW HaT частично уменьшает этот вес за счет создания открытого магнитного поля, сказал Дезиати.

В этой установке катушки более разбросаны, а магнитные силы не такие интенсивные. Но магнитное поле простирается дальше в космос, так что частицы мягко отклоняются, когда они приближаются к судну — больше похоже на то, что происходит на нашей планете.

«Вы не хотите, чтобы астронавты жили в магнитном поле, которое сильнее, чем то, к которому мы привыкли здесь, на Земле», — сказал Дезиати. «И вы хотите, чтобы магнитное поле было в основном снаружи, потому что вы хотите, чтобы частицы его чувствовали».

С помощью гранта НАСА Д’Онгиа и Дезиати теперь будут продолжать изучать возможности и ограничения своей конструкции. По словам Д’Онгиа, они надеются и дальше расширять свою команду с помощью аспирантов, а также работать с медицинскими исследователями, чтобы посмотреть, что происходит с человеческим телом, когда оно поглощает космическое излучение.

Оба исследователя много лет увлекаются космосом. Дезиати вспомнила, что в детстве была в восторге от взгляда на Млечный Путь, а Д’Онгиа сказала, что в молодости она была поражена тем, как идеальны кольца Сатурна выглядели в телескоп.

И теперь они воодушевлены возможностью того, что их работа может сыграть практическую роль в космических путешествиях будущего.

Космические лучи. Их состав и происхождение

Космические лучи. Их состав и происхождение

Что такое космические лучи и что о них известно

Что такое космические лучи?

Как ученые открыли космические лучи

Откуда у космических частиц столько энергии?

Откуда прилетают космические лучи?

Как космические лучи помогают изучать Солнце

Опасны ли космические лучи для человека?

Астрономы раскрыли загадку рождения самых мощных космических лучей

космических зарядов | Данные Земли

Первый наземный имитатор галактических космических лучей НАСА: открывает новую эру в исследованиях космической радиобиологии

Принадлежности

Авторы

Принадлежности

Абстрактный

Заявление о конфликте интересов

Цифры

Похожие статьи

Цитируется

использованная литература

Типы публикаций

термины MeSH

Грантовая поддержка

UW работает над защитой от космической радиации