Сегодня космическая радиация: #космосиздома |

Содержание

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься

https://radiosputnik.ria.ru/20220524/radiatsiya-1790509299.html

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься — Радио Sputnik, 24.05.2022

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься

Радиация и опасное излучение есть везде. Приспособиться к ней или погибнуть? Такой выбор был у первых организмов на Земле, такой выбор стоит сейчас перед… Радио Sputnik, 24.05.2022

2022-05-24T22:32

кот ученый

космос

земля

луна

радиация

международная космическая станция (мкс)

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

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

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e6/05/18/1790508964_0:7:200:120_1920x0_80_0_0_9accb1fc2cc009b852fba8b38e445190.png

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься

audio/mpeg

Космическая радиация: что мы о ней знаем и как от нее защититься

audio/mpeg

Радиация и опасное излучение есть везде. Приспособиться к ней или погибнуть? Такой выбор был у первых организмов на Земле, такой выбор стоит сейчас перед исследователями космоса. Об открытии космических лучей, радиационной обстановке в космосе, а также о том, как галактическое излучение может влиять на организм человека, как моделируют космическое излучение на Земле и какие меры защиты разрабатывают – в новом выпуске подкаста «Кот учёный».Гости:- Юрий Северюхин, научный сотрудник Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ;- Максим Абаев, шеф-редактор портала журнала «Наука и жизнь».В выпуске:00:00 – выпуск об излучении;01:30 – радиация повсюду;03:00 – попадающая в атмосферу ионизированные частицы вызывают целый ряд взаимодействий, похожий на каскад;05:00 – не только от солнца может долететь излучение, но и от далеких звезд – такая радиация намного опаснее;06:20 – мощность дозы радиации на Луне практически такая же, как на МКС, убьет ли она первых колонизаторов?08:00 – полезны ли малые дозы радиации?09:15 – постоянные вспышки в глазах у тех астронавтов, которые долгое время провели в космосе;11:00 – как сильно влияют на человека частицы, прилетающие с далеких звезд?11:50 – какая радиация опасна? Что может произойти с человеком?13:30 – космическая радиация может сильно повлиять на поведение человека и его способность думать;14:00 – есть организмы и животные, которые очень устойчивы к радиации, как земной, так и космической;16:00 – мутанты, которые невосприимчивы к радиации; вещества, которые защитят человека от радиации;18:00 – кислород снижает нашу защиту от радиации;19:00 – как будут защищать от излучения первых марсиан;21:10 – опасность, подстерегающая нас на пляже;22:30 – для микросхем и электроники радиация также опасна;23:30 – свинцовые фартуки и защита для космонавтов, защита летчиков дальних рейсов;25:00 – радиационные пояса Земли: есть места, которые лучше облетать;27:30 – для кого вреднее радиация – для мужчин или для женщин? Представители какой расы устойчивее?Слушайте и подписывайтесь на наш подкаст в ITunes и на Яндекс. Музыка.

космос

земля

луна

Радио Sputnik

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

2022

Радио Sputnik

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

Новости

ru-RU

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

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

Радио Sputnik

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/07e6/05/18/1790508964_17:0:184:125_1920x0_80_0_0_9cd22205055b719641d2cc1d2b75db45. png

1920

true

Радио Sputnik

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

Радио Sputnik

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

космос, земля, луна, радиация, международная космическая станция (мкс), аудио

Кот ученый, Космос, Земля, Луна, радиация, Международная космическая станция (МКС)

Гости:

— Юрий Северюхин, научный сотрудник Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ;

— Максим Абаев, шеф-редактор портала журнала «Наука и жизнь».

В выпуске:

00:00 – выпуск об излучении;

01:30 – радиация повсюду;

03:00 – попадающая в атмосферу ионизированные частицы вызывают целый ряд взаимодействий, похожий на каскад;

05:00 – не только от солнца может долететь излучение, но и от далеких звезд – такая радиация намного опаснее;

06:20 – мощность дозы радиации на Луне практически такая же, как на МКС, убьет ли она первых колонизаторов?

08:00 – полезны ли малые дозы радиации?

09:15 – постоянные вспышки в глазах у тех астронавтов, которые долгое время провели в космосе;

11:00 – как сильно влияют на человека частицы, прилетающие с далеких звезд?

11:50 – какая радиация опасна? Что может произойти с человеком?

13:30 – космическая радиация может сильно повлиять на поведение человека и его способность думать;

14:00 – есть организмы и животные, которые очень устойчивы к радиации, как земной, так и космической;

16:00 – мутанты, которые невосприимчивы к радиации; вещества, которые защитят человека от радиации;

18:00 – кислород снижает нашу защиту от радиации;

19:00 – как будут защищать от излучения первых марсиан;

21:10 – опасность, подстерегающая нас на пляже;

22:30 – для микросхем и электроники радиация также опасна;

23:30 – свинцовые фартуки и защита для космонавтов, защита летчиков дальних рейсов;

25:00 – радиационные пояса Земли: есть места, которые лучше облетать;

27:30 – для кого вреднее радиация – для мужчин или для женщин? Представители какой расы устойчивее?

Слушайте и подписывайтесь на наш подкаст в ITunes и на Яндекс. Музыка.

Радиация в полёте на Марс

Часто можно встретить суждения, что полёт на Марс опасен или невозможен из-за космической радиации. Это даже стало темой для шуток, но подобное продолжают высказывать вполне авторитетные люди, от космонавтов до президентов. В то же время данные опасения не останавливают мечтателей, желающих построить марсианскую ракету или планирующих переезд. Что же нам известно о радиационной опасности марсианских полётов?

На сегодня имеется крайне ограниченный опыт пилотируемых полётов людей в межпланетном пространстве. Только двадцать четыре человека совершали экспедиции за пределы земной магнитосферы в программе Apollo, но длительностью не более двух недель. На Марс же лететь около полугода в одну сторону. Поэтому сегодня источником знаний о радиационных угрозах у других планет выступают исследования на борту околоземной Международной космической станции, немногочисленная статистика лунных полётов, дозиметрические измерения на межпланетных зондах, наземные эксперименты на животных и оценки по математическим моделям.

Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски черных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжелые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение. В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжелых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь. Про сами радпояса уже рассказывалось ранее.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощенного излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.

Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотопленку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля.

Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы.

Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счетчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

Какова доза в межпланетном пространстве?

Данные с вышеперечисленных аппаратов я свел в общую таблицу. Указанная толщина экранирования в пересчете на алюминий — это усредненное значение. Так, на ExoMars детектор с одной стороны прикрывает пара миллиметров алюминия, а с другой — пара метров всего четырехтонного зонда. У Curiosity немного лучше — он летел в аэродинамическом кожухе, который по своим экранирующим свойствам не сильно отличается от пилотируемых кораблей современного типа.

Суточные показания в таблице тоже усредненные, например, повышенная, по сравнению с остальными, доза экипажа Apollo — это результат неоднократного пересечения радиационных поясов Земли. Данные по «Зондам» брались из двух источников где они отличаются в несколько раз. Во всех остальных случаях, американские результаты не противоречат измерениям приборов других стран, что делает безосновательными подозрения сторонников лунного заговора о недостоверных показаниях в программе Apollo.

В целом, грубое приближение, без учета колебаний фона из-за солнечной активности, позволяет утверждать, что средняя доза в межпланетном пространстве составляет около 0,5 миллигрей в сутки. В биологическом эквиваленте это около 2 миллизиверт. Примерно столько средний житель России получает за полгода, а экипаж Международной космической станции за 3-4 дня. Высоко, но не смертельно.

Специалисты Института медико-биологических проблем РАН оценили суммарную дозу при полёте на Марс туда-обратно менее чем в 0,7 зиверт за 350 суток. По современным требованиям радиационной безопасности для российских космонавтов, за всю их карьеру допустимо накопление дозы 1 зиверт, что на 3% повышает риск онкологических заболеваний в течение жизни. Получается, что с точки зрения радиационной безопасности на Марс можно слетать и вернуться только один раз.

Для примера, космонавт Геннадий Падалка, налетал на МКС 878 суток, и, с точки зрения радиационного воздействия, слетал на Марс и возвращается домой.

Доза же на поверхности Марса — это тема для отдельного разбора.

Поскольку эффекты длительного воздействия межпланетной радиации на людей не изучались, некоторые ученые тренируются на мышах и крысах. Однако к их результатам нужно относиться осторожно, важна корректность поставленного опыта. Несколько лет назад была новость о том, что аналог космической радиации повредил мозги мышей и они поглупели. Если же углубиться в детали, то окажется, что мышкам жарили мозги по 1 миллигрей в день (то есть в два раза выше чем показывают дозиметры в космосе) и исключительно нейтронами (у которых коэффициент качества в 5 раз выше чем у космического фона). В результате подопытные животные получали дозу в десять раз больше чем ожидается в пилотируемой экспедиции.

Данные по смертности участников лунных полётов показывают повышенный процент смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, по сравнению с околоземными астронавтами. Но пока для далеко идущих выводов слишком малая выборка (семь случаев), и рано говорить о прямой угрозе межпланетной среды. Хотя эксперименты на мышах также показали, что сочетание имитации невесомости и облучения тяжелыми заряженными частицами способно нанести вред сердечно-сосудистой системе.

Можно ли защититься от космической радиации?

Вспомним, у нас есть два типа радиации: солнечная и галактическая. Хотя состав этих космических лучей примерно одинаковый — протоны, алфа, и тяжелые ядра — но они отличаются количеством и энергией. Солнечных заряженных частиц больше, но их энергия ниже, и эта разница определяет разницу в средствах защиты.

Существует распространенный стереотип, что главная опасность в космосе от солнечных вспышек. Но если изучить данные измерений Curiosity, LRO и Rosetta за пределами околоземного магнитного поля, то окажется, что в суммарной накопленной дозе космических аппаратов вклад солнечных вспышек не превышает 25%. Вместе эти три аппарата пробыли в космосе более 15 лет, то есть статистика собрана немалая, однако ни один из них не попадал под мощную солнечную вспышку, которые бывают примерно раз в 10 лет, вроде случившейся 4 августа 1972 года. По результатам моделирования, такая вспышка способна дать экипажу до 4 зиверт за несколько дней, а это лучевая болезнь с риском смертельного исхода (хотя такая доза считалась допустимой для экипажей Apollo). Правда в моделировании 4 зиверта насчитали для содержимого алюминиевой сферы толщиной 2 см, а в среднем полностью снаряженный космический корабль, типа командного модуля Apollo или российского модуля МКС «Звезда», экранирует примерно как 10 см алюминия, что снизило бы дозу в несколько раз.

Солнечные вспышки опасны, но от них можно защититься. Мы это знаем благодаря автоматической межпланетной станции Rosetta. У неё на борту было два дозиметра, один на солнечной стороне, второй на теневой. Когда в зонд прилетела мощная солнечная вспышка, то облучение освещенного прибора значительно возросло, теневой же показал лишь незначительный флуктуации.

Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж. Гораздо опаснее мощные вспышки во время выхода в открытый космос, и тут служба наблюдения за космической погодой оказывается жизненно важна.

Несмотря на серьезную опасность мощных солнечных вспышек, в межпланетных перелётах они — не главная проблема. Основной радиационный вред в во время полёта на Марс исходит от галактических космических лучей, и рукотворной защиты от них нет. Они способны прошивать хоть 10 см, хоть 50 см алюминия, и летят со всех сторон, поэтому прикрыться кораблём не получится. И здесь единственная наша подмога — это солнечные вспышки! Точнее солнечный ветер — низкоскоростные потоки солнечных заряженных частиц, которые несут с собой магнитные поля, от центра Солнечной системы к гелиопаузе, туда где заканчивается межпланетное пространство и начинается межзвездное.

Ещё в докосмическую эру, регистрируя потоки вторичных заряженных частиц в атмосфере Земли, ученые заметили, что их интенсивность падает в периоды высокой солнечной активности. Оказалось солнечные выбросы заряженных частиц и магнитных полей тормозят и рассеивают галактические лучи. Это явление назвали солнечная модуляция галактических космических лучей, а кратковременное падение интенсивности галактического излучения во время солнечных вспышек — «Форбуш-эффект». Разница межпланетного радиационного фона, в зависимости от солнечной активности меняется в два-три раза: в солнечный максимум самая низкая доза. Измерения Curiosity и ExoMars велись примерно на середине этого цикла, а на Луну люди летали в период более высокой активности Солнца.

Суммируя все данные теперь понятно, чтобы обеспечить максимально радиационно безопасный перелёт до Марса нужно соблюсти несколько условий:
— сократить насколько возможно длительность перелёта;
— лететь в период максимума солнечного цикла;
— развернуться двигательным отсеком и топливными баками в сторону Солнца;
— обложиться оборудованием, запасами продуктов и воды вокруг жилых отсеков.

Но даже без этих всех ухищрений, можно один раз слетать на Марс и вернуться, оставаясь в допустимых пределах облучения для современных космонавтов.

zelenyikot

Ваша поддержка поможет в подготовке новых постов!
Подпишитесь на Patreon или отечественный аналог «Спонср» и я смогу больше рассказывать о космосе.

Tags: Марс, космический корабль, планетология, радиация

Компьютерные ошибки из космоса

Загрузка

Компьютерные ошибки из космоса

(Изображение предоставлено НАСА)

Крис Бараниук, 12 октября 2022 года

Земля подвергается граду субатомных частиц от Солнца и других источников нашу солнечную систему, которая может быть причиной сбоев, от которых страдают наши телефоны и компьютеры. И риск растет по мере сокращения технологии микрочипов.

Зап. Мышца в ее груди дернулась. Зап. И опять. Мари Мо чувствовала это. Она даже могла видеть это. Она посмотрела вниз, и мышца слева от грудины явно пульсировала. Судороги в ритме сильного сердцебиения.

Исследователь кибербезопасности находился в самолете примерно в 20 минутах от пункта назначения, Амстердама, когда он вылетел. Страх охватил ее. Она сразу поняла, что что-то не так с ее кардиостимулятором, небольшим медицинским устройством, имплантированным ей в грудь, которое использовало электрические импульсы для стабилизации ее сердцебиения.

Может ли быть поврежден один из проводов, соединяющих кардиостимулятор с ее сердцем? Или оторваться? Мо предупредил бортпроводников, которые сразу же организовали скорую помощь, чтобы она была готова и ждала ее в аэропорту. Ей сказали, что если бы самолет находился дальше от Амстердама, пилот совершил бы аварийную посадку в другом аэропорту.

Когда Мо прибыла в ближайшую больницу, ее осмотрели врачи. Специалист по кардиостимуляторам вскоре обнаружил проблему. Это был крошечный компьютер гаджета. Данные, хранящиеся внутри компьютера кардиостимулятора, столь важные для его работы, каким-то образом были повреждены.

А для Мо главным подозреваемым, который, по ее словам, скорее всего спровоцировал этот тревожный эпизод, был космический луч из космоса: цепочка субатомных частиц, сталкивающихся друг с другом в атмосфере Земли, как шары, сталкивающиеся на бильярдном столе, с одним в конце концов во время полета она вошла во встроенный компьютер своего кардиостимулятора.

Теория состоит в том, что при ударе он вызвал электрический дисбаланс, который изменил память компьютера и, в конечном счете, навсегда изменил ее понимание жизненно важных технологий внутри нее.

Когда компьютеры выходят из строя, мы склонны предполагать, что это просто какой-то программный сбой, немного плохого программирования. Но ионизирующее излучение, включая лучи протонов, направленных к нам Солнцем, также может быть причиной. Эти инциденты, называемые одиночными сбоями, случаются редко, и может быть невозможно быть уверенным, что космические лучи были причастны к конкретной неисправности, потому что они не оставляют после себя никаких следов.

И тем не менее они были названы возможными виновниками многочисленных экстраординарных случаев компьютерного сбоя. От машины для подсчета голосов, которая добавила тысячи несуществующих голосов к подсчету кандидата, до коммерческого авиалайнера, который внезапно упал с высоты в несколько сотен футов в полете, ранив десятки пассажиров. Фото: NASA0003

По мере того, как человеческое общество становится все более зависимым от цифровых технологий, стоит задаться вопросом, насколько большой риск космические лучи представляют для нашего образа жизни. Не в последнюю очередь потому, что с продолжающейся миниатюризацией технологии микрочипов заряд, необходимый для искажения данных, все время становится меньше, а это означает, что космическим лучам на самом деле становится легче оказывать этот эффект.

Кроме того, поскольку гигантские выбросы Солнца иногда могут посылать огромные волны частиц к Земле, то, что называется космической погодой, вырисовывается тревожная перспектива: мы можем увидеть гораздо больше нарушений работы компьютеров, чем мы привыкли во время массивной геомагнитной бури в будущее.

Пугающий опыт Моэ с кардиостимулятором произошел в 2016 году. Когда ее выписали из больницы, она получила подробный отчет о том, что произошло, от производителя кардиостимулятора. «Именно там я узнал о переворачивании битов», — вспоминает Мо, который сейчас является старшим консультантом в фирме по кибербезопасности Mandiant.

В памяти компьютера кардиостимулятора данные хранятся в виде битов, часто называемых «единицами и нулями». Но в отчете поясняется, что некоторые из этих битов были перевернуты или перевернуты, что изменило данные и вызвало программную ошибку. Думайте об этом, как о нажатии на неправильный конец переключателя в длинном ряду выключателей света. Часть комнаты останется темной.

В этом случае ошибка побудила кардиостимулятор перейти в «режим резервной программы», говорит Мо, и он начал стимулировать ее сердце со стандартной частотой 70 ударов в минуту с усиленным импульсом. «Вот что вызвало очень неприятные подергивания», — объясняет она.

Чтобы исправить это, специалисту по кардиостимулятору пришлось сбросить устройство до заводских настроек в больнице, которые позже были изменены в соответствии с сердцем Мо. Но в отчете не предлагалось окончательных выводов о том, почему эти ключевые моменты вообще изменились. Одна из упомянутых возможностей, однако, была космическая радиация. «Трудно быть уверенным на 100%, — говорит Мо. — У меня нет другого объяснения, чтобы предложить вам.

То, что такое может произойти, стало понятно по крайней мере с 1970-х годов, когда исследователи показали, что радиация из космоса может влиять на компьютеры на спутниках. Это излучение может принимать различные формы и исходить из множества различных источников как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы. Но вот как может выглядеть один сценарий: протоны, направленные Солнцем к Земле, врезаются в атомы в нашей атмосфере, высвобождая нейтроны из ядер этих атомов. Эти высокоэнергетические нейтроны не имеют заряда, но они могут врезаться в другие частицы, вызывая вторичное излучение, у которого есть заряд. Поскольку биты в устройствах компьютерной памяти иногда хранятся в виде крошечного электрического заряда, это вторичное излучение, которое сейчас летает вокруг, может перевернуть биты, перевернув их из одного состояния в другое, что изменит данные.

Вам также может быть интересно прочитать:

Неудачные имена, которые могут сломать компьютеры
Можем ли мы безопасно хранить данные в ДНК?
Онлайн-данные, которые удаляются

Распространенность космической радиации увеличивается с высотой, главным образом потому, что наша атмосфера помогает защитить нас от большей ее части. Например, авиапассажиры больше подвержены этому излучению , чем люди на земле, поэтому у экипажей есть ограничения на количество времени, которое они могут проводить в полете каждый месяц. Но если эта субатомная суматоха была причиной сбоя кардиостимулятора Мо, это должно быть чрезвычайно редкое явление, подчеркивает она.

«Польза от кардиостимулятора значительно перевешивает этот риск», — добавляет она. «На самом деле я чувствую себя более уверенно, доверяя своему устройству, потому что знаю, что у него есть эта резервная копия на случай, если что-то пойдет не так с кодом».

Но воздействие космических лучей на другие компьютеры теоретически может быть катастрофическим. В одном широко обсуждаемом инциденте самолет Qantas Airways в 2008 году, летевший над Западной Австралией, дважды за 10 минут упал с высоты сотни футов, ранив десятки пассажиров на борту, многие из которых не находились на своих местах или не были пристегнуты в то время. Некоторые получили ушибы конечностей, а другие, например, ударились головой о внутреннюю часть салона. Одного ребенка, который был пристегнут ремнем безопасности, так сильно встряхнуло, что он получил травмы живота.

Расследование, проведенное Австралийским бюро безопасности на транспорте, показало, что до неустойчивого поведения самолета ошибочные компьютерные данные бортовых систем искажали угол, под которым летел самолет. Это вызвало два автоматических пикирования. Что касается того, что на самом деле вызвало эту цепочку событий, в отчете отмечалось: «не было достаточных доказательств, чтобы определить, могла ли [ионизирующая частица, изменяющая компьютерные данные] вызвать режим отказа», что означает, что это остается возможным. Напротив, все другие возможные триггеры, рассмотренные исследователями, были оценены как «крайне маловероятные», а еще один — как «маловероятные».

Полярное сияние появляется над полюсами Земли, когда высокоэнергетические частицы солнечных вспышек взаимодействуют с атмосферой. дополнительные голоса. Некоторые предполагают, что это тоже было результатом воздействия ионизирующего излучения на компьютер.

А как насчет спидраннера — того, кто пытается завершить видеоигры в рекордно короткие сроки, — который столкнулся со странным сбоем в Super Mario 64 еще в 2013 году? К удивлению игрока, Марио внезапно телепортировался вверх в игре, поведение, которое позже было прослежено до перевернутого бита в коде, который определяет положение усатого персонажа в 3D в любой момент времени. Анализ не выявил ничего, что могло бы объяснить это поведение, получившее название апварп, поэтому в обсуждениях инцидента возникла возможность взаимодействия космических частиц с игровым картриджем.

Совсем недавно, в апреле 2022 года, Трэвис Лонг, инженер-программист в Mozilla, опубликовал блог, в котором он объяснил, что огромные массивы данных телеметрии, которые компания регулярно собирает у пользователей своего веб-браузера Firefox, иногда содержат необъяснимые ошибки. порядок индивидуально перевернутых битов. Лонг отметил, что недавняя ошибка, связанная с этими крошечными ошибками, совпала с геомагнитной бурей.

«Я начал задаваться вопросом, могли ли мы обнаружить космическое событие через эти единичные нарушения в наших данных телеметрии», — написал он.

Независимо от того, стоит ли за ними ионизирующее излучение или нет, мы можем столкнуться с перевернутыми битами, когда просматриваем Интернет. В 2010 году это понял исследователь кибербезопасности по имени Артем Динабург, который сейчас работает в фирме с соответствующим названием Trail of Bits. Он зарегистрировал несколько доменных имен, похожих на популярные домены, но с одним неправильным символом в URL-адресе.

Возьмем в качестве примера «bbc.com». Если бы вы напечатали его неправильно, вы могли бы ввести «bbx.com» случайно, учитывая, что «x» находится рядом с «c» на английской компьютерной клавиатуре. Битовая ошибка отличается. Это означает, что по крайней мере один бит в двоичном коде, который представляет каждый из символов в «bbc.com», неверен. В двоичном формате буква «b» — это «01100010», а «c» — «01100011». Если вы перевернете только один бит, скажем, последний бит кода для «c», превратив его с 1 в 0, тогда он станет «b», и вместо этого вы окажетесь на «bbb.com».

Как космические лучи переворачивают биты

Одиночные сбои (SEU) происходят в компьютерных схемах, когда высокоэнергетические частицы, такие как нейтроны или мюоны из космических лучей или гамма-лучей, сталкиваются с кремнием, используемым в микрочипах. Это генерирует электрический заряд, который может изменить внутреннее напряжение соседних транзисторов, искажая хранящиеся там данные. В некоторых случаях эти события могут полностью разрушить микроэлектронику, сделав компьютер бесполезным, но также могут привести к временным изменениям, влияющим на поведение машины.

Переворот бита сам по себе не является видимым для пользователя компьютера, хотя он может заметить последствия. В памяти компьютера происходит переворот бита, и при обработке URL-адреса это может происходить на разных этапах, например, когда ваш компьютер запрашивает веб-страницу в Интернете или когда веб-сервер, к которому вы подключаетесь, отвечает на этот запрос.

Как только Динабург зарегистрировал несколько измененных URL-адресов, он просто сидел и ждал. «К моему огромному удивлению, я начал связывать вещи, — вспоминает он. «На многих компьютерах в мире происходят однобитовые ошибки, а иногда и множественные битовые ошибки, и если они происходят в нужном месте и в нужное время, они могут повлиять на то, какой домен ищет ваше программное обеспечение».

Проблема со всеми приведенными выше примерами заключается в том, что нет способа доказать, что за любым из них стоит космическая частица. И хотя некоторые могут склоняться к этому объяснению, его легко опровергнуть более приземленными теориями. Динабург говорит, что, например, за многими соединениями, которые он записал в своем эксперименте, могли стоять ошибки памяти компьютера.

А в прошлом году спидраннер, который столкнулся со странным сбоем Super Mario, разместил на YouTube видео, в котором его игра зависла в середине игры.

Название видео: «Это действительно была ионизирующая частица?» казалось, в шутку предположил, что инцидент со скоростным прохождением мог быть просто случайным игровым сбоем. Другой спидраннер, который использует псевдоним pannenkoek2012 и предложил 1000 долларов (900 фунтов стерлингов) любому, кто сможет объяснить, почему Марио внезапно телепортировался во время инцидента 2013 года, говорит BBC Future: «Я склоняюсь к неисправности оборудования», а не к космическим лучам как к виновнику.

В некоторых сценариях имеется достаточно данных, чтобы указать, что за множественными переворотами битов стояло излучение. Возвращаясь к спутникам, одна группа исследователей недавно исследовала более 2000 битовых ошибок, зарегистрированных спутником примерно за два года нахождения на орбите. Команда опубликовала результаты этой работы в 2020 году. Ошибки данных были автоматически исправлены во время полета спутника, но, если бы они остались на месте, они исказили бы положение корабля.

Проанализировав записи памяти спутника, исследователи смогли определить, когда и где произошли ошибки на его орбите. Огромное количество ошибок было сгруппировано в области, называемой Южно-Атлантической аномалией (ЮАА), где над поверхностью Земли наблюдается повышенное космическое излучение. Хорошо известно, что это наносит ущерб компьютерным системам на спутниках и космических кораблях. По данным НАСА, астронавты на космических шаттлах замечали, что их ноутбуки иногда ломались, когда космический челнок, который больше не эксплуатируется, проходил через SAA.

Были подозрения на единичные сбои по крайней мере в одном авиационном происшествии на коммерческом рейсе, когда высокоэнергетическая частица могла изменить данные бортового компьютера (Фото: Alamy)

или ближе к земле, доказать участие космических лучей непросто. Скользкость субатомных частиц, летающих вокруг нас, не является новостью для Паоло Реха из Университета Тренто в Италии. «Невозможно быть окончательным. Это самое интересное», — говорит он, имея в виду такие инциденты, как апварп Super Mario. И все же возможность того, что такие частицы могут вызывать крошечные, но существенные ошибки данных в компьютерных системах, не оспаривается, как объясняет Реч.

В лабораторных экспериментах у него есть некоторое оборудование, которое может искусственно ускорять нейтроны, чтобы направлять их на электронику и отслеживать битовые ошибки, которые вызывает поток частиц. Он предназначен для имитации потока нейтронов на уровне земли на Земле, но с увеличением в 100 миллионов раз.

«Вместо того, чтобы ждать месяцы или годы, чтобы обнаружить ошибку, вы можете получить ошибки за секунды или минуты», — говорит он, имея в виду работу, которую он и его коллеги провели в ISIS Neutron and Muon Source в Великобритании и в Лос-Аламосской национальной лаборатории. в США провели.

Это способ изучения эффектов, которые одиночные расстройства могут иметь в дикой природе, просто ускоренные для удобства. Однако «Речь» и его коллеги преследуют конкретную цель. С появлением технологий беспилотных автомобилей вполне возможно, что компьютерные системы этих автомобилей могут выйти из строя из-за космических лучей. Что, если во время автоматизированной поездки изображение с камеры, установленной в передней части автомобиля, будет искажено, и бортовой компьютер не сможет обнаружить человека, идущего впереди автомобиля?

Создавая изображения с искажениями, которые предположительно могут быть вызваны космическими лучами, и используя их для обучения искусственных нейронных сетей, Реч говорит, что он и его коллеги уменьшили вероятность такой ошибки в 10 раз. Однако исследование еще не опубликовано, и он говорит, что ему не разрешено раскрывать начальный уровень точности во время экспериментов.

Такое вмешательство могло бы сделать беспилотные автомобили будущего более безопасными, но они не устранили бы возможность того, что космические лучи вызовут другие проблемы. И это поднимает интересную загадку для страховщиков.

«В мире полностью автономных транспортных средств, как вы можете доказать, что авария произошла из-за космических лучей?» говорит Реч. «Это очень сложно. Я имею в виду, что это невозможно по определению». В неоднозначных случаях споры о том, виноват ли человек или производитель технологий — или космическая погода, могут быть трудноразрешимы.

Еще один момент. «Речь» говорит, что, в принципе, кто-то может попытаться вызвать ошибки в битах в компьютерной системе преднамеренно (и, возможно, злонамеренно), создав ускоритель частиц и нацелив его на модули памяти компьютера. Однако сделать это эффективно было бы очень сложно, добавляет он.

Естественные источники радиации остаются наиболее важными. И когда дело доходит до космических лучей или космической погоды, важно прояснить, что это точно так же, как земная погода — она меняется. Иногда возникают большие бури.

В начале сентября 1859 года в атмосфере планеты бушевала самая сильная из когда-либо зарегистрированных геомагнитных бурь. Событие Кэррингтона, названное в честь британского астронома Ричарда Кэррингтона, было вызвано солнечными вспышками, выбросившими на Землю огромное количество субатомных частиц. Геомагнитная активность вызвала невероятные проявления северного сияния и индуцированных зарядов в электрических проводах. Некоторые телеграфисты сообщали, что видели, как из их оборудования вылетали искры.

Если такое событие произойдет в будущем, оно теоретически может повредить линии электропередач и интернет-кабели во многих регионах, говорит Сангита Абду Джоти из Калифорнийского университета в Ирвине. «Существует также риск повреждения данных заряженными частицами», — добавляет она. «Сейчас реальный масштаб ущерба предсказать очень сложно».

Детекторы космических лучей используются в попытке предсказать, когда космическая погода может представлять особую угрозу (Фото: Don Despain/Alamy)

Дэниел Уайтсон, также из Калифорнийского университета в Ирвине, соглашается, добавляя, что такой инцидент потенциально может быть «катастрофическим» и что наше понимание физики внутри Солнца недостаточно развито, чтобы мы могли предсказывать крупные солнечные выбросы заблаговременно.

Он и его коллеги предложили метод сбора данных с миллионов камер смартфонов, чувствительных к некоторым субатомным частицам, для обнаружения случаев электромагнитных помех. Это могло бы помочь нам лучше понять распространенность и природу космических лучей, которые достигают нас здесь, на Земле.

Отдельно Майкл Аспиналл из Ланкастерского университета в Великобритании и его коллеги недавно рассказали на летней выставке Королевского общества о планах по созданию устройства для мониторинга нейтронов в Великобритании. Это помогло бы восполнить пробел в нашей способности отслеживать нейтроны, свистящие вокруг нас, утверждает он: «Менее 50 таких наземных нейтронных мониторов все еще работают, и ни один из них не находится в Великобритании».

Монитор будет построен либо в Шотландии, либо в Корнуолле, и если он обнаружит опасный всплеск нейтронной активности в будущем, такая информация может быть передана в Метеорологическое бюро Великобритании, которое затем может порекомендовать авиационным властям приземлить самолеты или принять другие меры. предупредительное действие.

Важно рассматривать все это в контексте. Крайне маловероятно, что космические лучи регулярно вызывают серьезные ошибки в компьютерных системах. Менеджер центра обработки данных Тони Грейсон из Compass Datacenters в США говорит, что никогда не чувствовал необходимости обсуждать угрозу, которую представляет радиация, с коллегами по отрасли. Во многом это связано с тем, что небольшие ошибки на уровне битов в данных часто несущественны или исправляются автоматическим программным обеспечением для проверки ошибок.

Приложить большие усилия для защиты центра обработки данных от космических лучей, скажем, обшив его свинцом, было бы невероятно дорого. Гораздо проще и дешевле просто хранить географически распределенные резервные копии данных. По словам Грейсона, в худшем случае клиенты могут быть переведены на резервный сервер.

Но в некоторых случаях к космическим лучам относятся очень серьезно. Рассмотрим, например, кучу электроники в современном самолете, которая соединяет органы управления пилота с рулем направления. Тим Морин, технический сотрудник полупроводниковой фирмы Microchip, говорит, что основные производители аэрокосмической и оборонной промышленности используют компоненты, устойчивые к определенным эффектам космических лучей. Его компания входит в число тех, кто поставляет эти комплектующие.

«Он просто невосприимчив к одиночным сбоям, вызванным нейтронами», — говорит он. «Нас это не касается».

Морин отказывается вдаваться в подробности подхода, который его фирма использовала для производства компьютерных микросхем, не подверженных нейтронным помехам, за исключением того, что он касается материалов и схемы.

Понятно, что не каждое приложение требует такого высокого уровня защиты. И также невозможно добиться этого с любым типом компьютерной памяти, добавляет Морин. Но для организаций, которые ставят над нашими головами самолеты и спутники, это, очевидно, важное соображение.

Технология, от которой сейчас зависят практически все мы, связана с различными уровнями риска. Но важно отметить, что по мере того, как транзисторы в компьютерных чипах становятся меньше в новых, более совершенных полупроводниках, они также становятся более восприимчивыми к электромагнитным помехам.

«Заряд, необходимый для обращения состояния, меньше», — поясняет Реч. Если требуется только очень маленький заряд, шансы на то, что субатомная частица индуцирует такой заряд, в принципе возрастают. Кроме того, растет число компьютерных чипов в устройствах от телефонов до стиральных машин. «Общая область, которая может быть повреждена, на самом деле значительно увеличивается», — говорит Реч. У субатомного дождя, падающего на наши устройства, появляется все больше целей для поражения.

Последствия этого могут быть ужасными, но пока трудно сказать, в какой степени это может повредить нам или системам, питающим современный мир. Для Мари Мо странное поведение ее кардиостимулятора во время полета в Амстердам шесть лет назад привело к расширению знаний об устройстве, столь важном для здорового функционирования ее сердца. Это даже помогло ей исследовать уязвимости кардиостимуляторов в кибербезопасности.

Если за всем этим действительно стоял случайный нейтрон, то это настоящая цепная реакция. Так что, по крайней мере, от переворота битов могут быть как положительные результаты, так и пугающие.

«Я действительно счастлива, — говорит она, — что это случилось со мной».

—

Присоединяйтесь к миллиону будущих поклонникам, поделившись нас по телефону Facebook , или следуйте за нами на Twitter или .

Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельный информационный бюллетень bbc.com под названием «The Essential List» — подборка историй от BBC Future , Culture , Worklife , Travel and Reel delivered to your inbox every Friday.

Космические лучи | Определение, типы, эффекты и факты

Ключевые люди:: Огюст Пикар
Кадзита Такааки
Виталий Гинзбург
Артур Б. Макдональд
Фредрик Стормер

Похожие темы:: эффект форбуша
обширный воздушный душ

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

космический луч , высокоскоростная частица — атомное ядро или электрон — которая путешествует в пространстве. Большинство этих частиц исходят из источников внутри Галактики Млечный Путь и известны как галактические космические лучи (ГКЛ). Остальные космические лучи исходят либо от Солнца, либо, почти наверняка в случае частиц с самыми высокими энергиями, за пределами Галактики Млечный Путь.

Прибытие на Землю

Частицы космических лучей не наблюдаются непосредственно на поверхности Земли. Это связано с тем, что «первичные» космические лучи, то есть частицы, достигающие внешнего края земной атмосферы, сталкиваются с ядрами атмосферы и порождают «вторичные». Некоторые вторичные частицы представляют собой фрагменты сталкивающихся ядер, включая нейтроны, а другие — короткоживущие частицы, созданные за счет энергии столкновений. Вторичные ядра вскоре имеют свои собственные столкновения. Именно вторичные частицы (нейтроны и короткоживущие частицы, такие как мюоны) наблюдаются на уровне моря. Первичные объекты необходимо изучать с помощью высотных аэростатов или космических кораблей.

Среди ГКЛ относительное содержание различных ядер и электронов зависит от энергии. Выше примерно 1 ГэВ на нуклон (гигаэлектрон-вольт или один миллиард электрон-вольт на нуклон) пропорции составляют около 85 процентов протонов (ядра атомов водорода), причем примерно 13 процентов составляют альфа-частицы (ядра гелия). (Энергия в 1 ГэВ соответствует скорости, превышающей примерно 87 процентов скорости света.) Остальные 2 процента составляют электроны и ядра более тяжелых атомов. При энергиях в несколько сотен МэВ на нуклон (мегаэлектронвольт или один миллион электронвольт на нуклон) соответствующие цифры составляют около 90, 9 и 1 процент.

Большинство ГКЛ, обнаруженных вблизи Земли, имеют кинетическую энергию, превышающую примерно 1 ГэВ на нуклон. Постоянный поток этих первичных частиц в верхнем слое атмосферы составляет около 1500 частиц на квадратный метр в секунду. Число частиц быстро падает с ростом энергии, но были обнаружены отдельные частицы с энергиями, достигающими в несколько раз 10 ²⁰ эВ. (Эта энергия сравнима с энергией бейсбольного мяча, брошенного со скоростью 160 км [100 миль] в час.)

Траектории основных космических лучей с самой низкой энергией находятся под сильным влиянием магнитного поля Земли. Следовательно, при энергиях ниже примерно 1 ГэВ на нуклон на каждой геомагнитной широте существует пороговая энергия, ниже которой первичные ГКЛ не регистрируются. На поток этих низкоэнергетических частиц влияет солнечная активность, а количество космического излучения, достигающего Земли, обратно пропорционально количеству солнечных пятен в течение 11-летнего солнечного цикла. Эта обратная корреляция называется эффектом Форбуша и возникает потому, что при максимуме солнечной активности более сильные магнитные поля выносятся солнечным ветром в межпланетное пространство и эти поля блокируют космические лучи.

Происхождение космических лучей

Из-за их отклонения магнитными полями в Галактике Млечный Путь первичные ГКЛ следуют извилистым путям и почти равномерно достигают верхних слоев атмосферы Земли со всех сторон. Следовательно, источники космических лучей не могут быть идентифицированы по направлению прихода, а скорее должны быть выведены из содержания элементов и изотопов тех космических лучей, которые являются атомными ядрами. Это можно сделать, сравнив содержание космических лучей с данными, полученными спектроскопически для звезд и межзвездных областей. Относительное содержание различных элементов среди ядер космических лучей хорошо изучено для частиц с энергией примерно от 100 МэВ до нескольких десятков ГэВ на нуклон. Содержание было измерено для элементов вплоть до урана. По таким данным удалось реконструировать большую часть истории путешествий частиц космических лучей через Галактику Млечный Путь. Легкие элементы литий, бериллий и бор редко встречаются во Вселенной, но их на удивление много среди первичных GCR. Принято считать, что эти легкие ядра образуются, когда более тяжелые первичные ядра (например, углерод и кислород) фрагментируются во время столкновений с разреженным межзвездным газом, состоящим в основном из водорода.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

После соответствующих поправок на столкновения GCR с межзвездным газом обнаружено, что предполагаемый состав источников аналогичен общему веществу Солнечной системы; однако водорода и гелия слишком мало, а для изотопов неона и железа существуют значительные различия. Обнаружено, что те элементы, которые преимущественно образуют пылинки, имеют повышенное содержание. Считается, что космические лучи представляют собой смесь материалов, около 80 процентов из которых имеют состав Солнечной системы, а около 20 процентов ядер исходят от массивных эволюционировавших звезд, таких как тип II или коллапс ядра, сверхновые звезды и звезды Вольфа-Райе. звезды, которые находятся в группах молодых горячих звезд, называемых OB-ассоциациями.