Для освоения нашей ближайшей соседки Луны и, в целом, Солнечной системы важное значение имеет определение дозы радиации, которую человек получает при прохождении радиационных поясов Земли, во время солнечных вспышек, от галактических космических лучей, при пребывании в межпланетном пространстве, под защитой скафандра или находясь в укрытии. Это позволяет более точно представить себе условия жизнедеятельности человека вне привычных земных.
К сожалению, в Интернете нельзя найти приемлемой формулы расчета дозы радиации в Космосе. Обычно, разными авторами приводятся готовые цифры, которые имеют  большое различие [7, 17, 18, 19]. Из-за этого возникает спор, в частности, какую дозу радиации получили астронавты миссий Аполлон, какую дозу радиации получит человек при полёте на Марс, насколько опасны солнечные вспышки, другое.

Ниже кратко описывается воздействие ионизирующего излучения на биологическую ткань и  приводится формула для расчета эквивалентной дозы радиации, который человек получает в Космосе для кожи и внутренних органов в зависимости от толщины внешней защиты и ионизирующего излучения.
Данная формула простая в использовании и даёт качественное значение доз радиации в Космосе.


Воздействие ионизирующего излучения на биологическую ткань



В результате мы имеем генетические последствия, в том числе канцерогенные, а так же клеточные нарушения. На рисунке наглядно демонстрируется эффект воздействия тяжёлых частиц на биологическую ткань: число повреждённых клеток в случае воздействия частиц, более тяжёлых, чем электроны, резко возрастает.
    В условиях длительного космического полёта, вне магнитного поля Земли, человек оказывается наедине, в основном, именно с радиацией. Причём это не совсем обычная, привычная для человека радиация. Это – галактические и солнечные космические лучи, в составе которых, есть тяжёлые заряженные частицы. Они, действительно, вызывают нарушения ДНК. Это – очевидно. Не вполне очевидны последствия этого взаимодействия.
    Здесь надо отметить, что на сегодняшний день специалисты по космической медицине и биологии не способны дать исчерпывающий ответ. Есть проблемы, которые надо решать в будущих исследованиях. Например, само по себе нарушение ДНК не обязательно должно привести к раку. Более того, молекулы ДНК, получив сигнал опасности о нарушении своей структуры, стараются включить "программу ремонта” самостоятельно. И это происходит, порой, небезуспешно. Любая физическая травма, тот же удар молотком по телу, вызывает гораздо больше нарушений на молекулярном уровне, чем радиация. Но клетки восстанавливают ДНК, и организм "забывает” об этом событии.
    Стабильность ДНК чрезвычайно велика: вероятность мутации не превышает 1 на 10 миллионов вне зависимости от локальных условий. Это – фантастическая надёжность биологической структуры, ответственной за воспроизводство жизни. Даже сверхсильные радиационные поля не могут её нарушить. Есть ряд бактерий, которые не мутируют в огромных по мощности радиационных полях, достигающих многих тысяч Гр. Такую дозовую нагрузку не выдерживает даже кристаллический кремний и многие конструкционные материалы.
    Проблема здесь, как это представляется биологам, состоит в том, что может быть сбой в программе ремонта: например, хромосома в результате может оказаться в совсем ненужном месте в структуре ДНК. Вот эта ситуация становится уже опасной. Однако и здесь возможна многовариантность последовательности событий.
    Во-первых, надо учесть, что процесс мутации – размножении "неправильных клеток” занимает большой промежуток времени. Биологи полагают, что могут пройти десятилетия между первичным неблагоприятным воздействием и негативной реализацией этого эффекта. Это время необходимо, чтобы сформировать новообразование клеток, подвергнутых мутациям, состоящее из многих миллиардов. Поэтому прогноз развития неблагоприятных последствий – дело очень проблематичное.
    Другая сторона проблемы воздействия радиации на биологические структуры, состоит в том, что недостаточно изучен процесс воздействия малых доз. Не существует прямой связи между величиной дозы – количеством радиации – и радиационными повреждениями. Как полагают биологи, разные типы хромосом, различным образом реагируют на радиацию. Одним из них для проявления эффекта "требуются” значительные дозы радиации, а другим достаточно и сверхмалых. В чём здесь причина? Ответа на это пока нет. Более того, не вполне ясны последствия воздействия на биологические структуры одновременно двух или нескольких видов радиации: скажем, ГКЛ и СКЛ, или ГКЛ, СКЛ и радиационных поясов. Состав этих видов космического излучения разный, и каждый из них может приводить к своим последствиям. Но не ясен эффект их совместного воздействия. Окончательный ответ на эти вопросы – лишь в результатах будущих исследований [19].

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов. Для его количественной оценки введены специальные единицы, которые делятся на внесистемные и единицы в системе СИ. Сейчас используются преимущественно единицы системы СИ. Ниже в таблице 1 дан перечень единиц измерения радиологических величин и проведено сравнение единиц системы СИ и внесистемных единиц [20].

Таблица 1. Единицы измерения радиологических величин

Основные радиологические величины и единицы
Величина	Наименование и обозначение единицы измерения		Соотношения между единицами
	Внесистемные	Си
Экспозицион- ная доза, X	Рентген (Р, R)	Кулон/кг (Кл/кг, C/kg)	1 Р=2.58*10-4 Кл/кг 1 Кл/кг=3.88*103 Р
Поглощенная доза, D	Рад (рад, rad)	Грей (Гр, Gy)	1 рад-10-2 Гр 1 Гр=1 Дж/кг
Эквивалентная доза, Н	Бэр (бэр, rem)	Зиверт (Зв, Sv)	1 бэр=10-2 Зв 1 Зв=100 бэр

Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и гамма-излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц :

X = dQ/dm

   Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и
гамма-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08*10⁹ пар ионов (2.08*10⁹ = 1/(4.8*10^-10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная :
     (2.08*10⁹)*33.85*(1.6*10^-12) = 0.113 эрг,
а одному грамму воздуха :
     0.113/плотность_возд =0.113/0.001293 = 87.3 эрг. Или 1 Р =  8,8 ×  10^–3 Дж/кг (Грей).
    Поглощение энергии ионизирующего излучения является первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани, приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту. Поэтому естественно сопоставить наблюдаемый эффект с количеством поглощенной энергии или поглощенной дозы.
    Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме :

D = dE/dm

    Единица поглощенной дозы - Грей (Гр) = Дж/кг. Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.
    Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D_r, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w_r (называемый - коэффициент качества излучения).

Н=∑w_rD_r

   Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Таблица 2. Коэффициент качества излучения [21, 22]

Вид излучения	Коэффициент качества
Фотоны (γ-излучение и рентгеновские лучи), по определению	1	1
β-частицы	1	1
Мюоны	1
α-частицы	20	10
Нейтроны (тепловые, медленные, резонансные), до 10 кэВ	5	3
Нейтроны от 10 кэВ до 100 кэВ		10
Нейтроны от 100 кэВ до 2 МэВ		20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ		10
Нейтроны более 2 МэВ		5
Протоны, 2…5 МэВ	5
Протоны, 5…10 МэВ		10
Тяжёлые ядра		20

В таблице 3 приводятся значения эквивалентной дозы радиации, приводящих к возникновению определённых радиационных эффектов.

Таблица 3. Таблица радиационных рисков

    Несколько Зивертов – это громадная доза радиации. Однако и эта доза, если она получена человеком не мгновенно, а постепенно, может и не привести к неблагоприятному исходу. К тому же, не надо забывать о возможной медицинской помощи в случае радиационного заболевания [19].
    Теперь перейдём к формуле расчета дозы радиации для определения  радиационной обстановки за пределами нашей планеты.

Формула расчета эквивалентной дозы радиации

Формула для расчета суммарной эквивалентной дозы радиации за единицу времени, которую человек получает в Космосе для кожи и внутренних органов в зависимости от толщины внешней защиты и ионизирующего излучения вида r:


где w_r - коэффициент качества излучения; n_r - плотность потока излучения (частиц/м2с1); E_r - энергия частиц излучения (Дж); L_z - толщина защиты (г/см2);  L_zr - длина пробега частицы с энергией E_r в защищающем материале z (г/см2);  L_p - глубина внутренних органов человека (г/см2);  L_pr - длина пробега частицы с энергией E_r в биологической ткани (г/см2). Данная формула даёт нижний предел дозы радиации с точностью не ниже 50%.
Множитель 0,2 перед знаком суммирования имеет размерность м2/кг и представляет собой обратное значение средней эффективной толщины биологической защиты человека. Грубо, данный множитель равен площади поверхности  биологического объекта, деленная на шестую часть массы.
Знак суммирования означает, что эквивалентная доза радиации складывается из радиационных эффектов для всех видов излучения, которым подвержен человек.
Коэффициент качества излучения w_r  берется из таблицы 2.
Плотность потока n_r  и энергия частиц E_r берутся из данных радиационного излучения.
Длины пробегов частицы с энергией E_r в защищающем материале L_zr (г/см2) приведены в таблицах ниже [20]

Таблица 4.

Пробеги протонов в алюминии.
Энергия: протонов, МэВ	1	3	5	10	20	40	100	1000
Пробег, см	1.3*10-3	7.8*10-3	1.8*10-2	6.2*10-2	2.7*10-1	7.0*10-1	3.6	148
Пробег, мг/см2	3.45	21	50	170	560	1.9*103	9.8*103	400*103

Таблица 5.

Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани, алюминии.
Энергия альфа-частиц, МэВ	4	6	8	10
воздух, см	2.5	4.6	7.4	10.6
Биологическая ткань, мкм	31	56	96	130
алюминий, мкм	16	30	48	69

Таблица 6.

Эффективные пробеги (в см) электронов в различных веществах в зависимости от их энергии.
Вещество	Энергия электрона, МэВ
	0.05	0.5	5	50	500
Воздух	4.1	160	2*103	1.7*104	6.3*104
Вода	4.7 * 10-3	0.19	2.6	19	78
Алюминий	2*10-3	0.056	0.95	4.3	8.6
Свинец	5*10-4	0.02	0.30	1.25	2.5

Длина пробега частицы L_pr с энергией E_r в биологической ткани в  1,9 раза больше, чем для алюминия.
Толщину защиты космических аппаратов и скафандра космонавта определяют из таблицы 7.


Пример 1. При внешнем излучении протонами с энергией 40 МэВ, потоком 10⁷  частиц/(м2с1), находясь только в скафандре, астронавт получает эквивалентную дозу радиации для кожи - 0,40 Зв/час, для внутренних органов на глубине 1 см - 0,20 Зв/час, для внутренних органов на глубине 10 см -  0,000 Зв/час.
Пример 2. При том же внешнем излучении  в лунном модуле Аполлон астронавт получает эквивалентную дозу радиации для кожи - 0,21 Зв/час, для внутренних органов на глубине 1 см - 0,10 Зв/час, для внутренних органов на глубине 10 см -  0,000 Зв/час.
Пример 3. При том же внешнем излучении  в  командном модуле Аполлон астронавт получает эквивалентную дозу радиации для кожи - 0,009 Зв/час, для внутренних органов на глубине 1 см - 0,004 Зв/час, для внутренних органов на глубине 10 см -  0,000 Зв/час.

Согласно таблице 1 эквивалентную дозу можно легко перевести в поглощенную или экспозиционную дозу радиации.

Тестирование
В качестве тестирования воспользуемся данными для солнечной вспышки 4-11 августа 1972 года [23]. Это была вспышка века. 20% озона Земли было сожжено. Понадобилось более полугода для восстановления озонового экрана.
Согласно техническому отчёту Национального управления по исследованию океанов и атмосферы - NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)  ERL SEL-22, МакКиннон, декабрь 1972 г. ("NOAA TECHNICAL MEMORANDUM ERLSEL-22", McKinnon, Dec, 1972, Dep. of Commerce,  [24]) суммарные дозы радиации, которые астронавты получили бы, если бы с 2 по 11 августа 1972 года летели на Луну, приведены в таблице 8. В таблице показаны средние экспозиционные дозы за сутки, полученные кожей и внутренними органами участниками полета с учетом защиты скафандра, лунного и командного модулей, соответственно.

	скафандр		лунный модуль		командный модуль
	кожа	внут. органы, 10 см	кожа	внут. органы, 10 см	кожа	внут. органы, 10 см
расчёт NOAA, США [24]	3158	89	1294	71	347	33
настоящий расчёт	3361	82	1062	71	173	45
отн. различие	+6%	-8%	-18%	0%	-50%	+36%

Как можно видеть из таблицы, мы получаем очень хорошее согласие с с техническим отчётом NOAA ERL SEL-22, МакКиннон.
Добавим, что в настоящем расчете предполагается, что материалом защиты КА является только Al. На самом деле в толщину защиты, кроме корпуса из алюминия, входят так же противометеоритные панели, тепловая изоляция, для командного модуля - легированная сталь, дополнительная тепловая защита, наконец, оборудование КА [25]. Самого же Al может быть ничтожное количество. Например, для лунного модуля из-за экономии веса толщина корпуса была всего 0,012 дюймов (0,03 см) алюминия [26].
При использовании более точных данных защиты Аполлон дозы радиации вырастут на 20-50%, так как расстояние пробегов заряженных частиц в используемых материалах защиты, кроме стали, больше, чем в алюминии.

В целом для астронавтов указанные дозы радиации - это летальный исход!

Теперь перейдём к дозам радиации, которую получает космонавт в КА, при пересечении радиационных поясов Земли и сравним с значением других авторов.

Далее

Оглавление:

• Человек на Луне! Детальный анализ радиационной обстановки и возможной опасности
• Дозы радиации по легенде НАСА
• 1969 - 1972 был год пика 11-летней солнечной активности.
• Вероятность не ниже 20% получить острую лучевую болезнь.
• В лунном модуле радиация на порядок выше.
• Аполлоны не покидали пределы орбиты Земли.
• Аполлоны были невидимыми на околоземной орбите.
• Радиационные факторы выше 400 км.
• Толщина защита Аполлонов не обеспечивает надежную защиту астронавтов.
• Ионизирующая радиация в Космосе.
• Формула расчета эквивалентной дозы радиации и её тестирование.
• Схема полета пилотируемой лунной экспедиции по программе "Сатурн-V — Аполлон".
• Дозы радиации при полете на Луну.
• Человек на Луне! Заключение.