Космическая биология и медицина

Все это говорит о том, что современный этап развития космонавтики характеризуется значительным рас- -ширением и усложнением деятельности человека в космосе, увеличением количества одновременно работающих космонавтов и т. п. В связи с этим необходимо своевременно разрешить все вопросы, связанные с безопасностью космических полетов человека.

Определенную опасность  для здоровья и жизни человека в космическом полете представляет космическая радиация. Поэтому анализ источников радиационной опасности  в космосе весьма существен при  обеспечении защиты экипажа космического корабля от ионизирующей радиации. Каковы же эти источники?

Открытие космической  радиации относится к началу нашего века и явилось побочным результатом исследований ионизации воздуха, обусловленной радиоактивными излучениями пород Земли. Изучая зависимость ионизации воздуха от высоты над поверхностью Земли, исследователи обнаружили, что лишь на небольших высотах ионизация падает с увеличением высоты. В экспериментах на шарах-зондах (1911 – 1912 гг.) было показано, что начиная с некоторой высоты ионизация вновь возрастает и на высоте 1500 м достигает наземного уровня. В связи с этим было высказано предположение, что ионизация обусловлена действием радиации, проникающей в атмосферу Земли из космического пространства.

По современным представлениям различают три вида космической  радиации: галактические космические  ЛУЧИ, солнечные космические лучи и радиационный пояс Земли. Галактические  космические лучи (ГКЛ) – наиболее высокоэнергетичная составляющая корпускулярного потока в межпланетном пространстве – представляет собой ускоренные до высокой энергии ядра химических элементов, среди которых преобладают ядра водорода, гелия и других легких элементов. ГКЛ по своей проникающей способности превосходят все другие виды радиации, кроме нейтрино. Для полного поглощения ГКЛ потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м.

Энергия частиц ГКЛ составляет в среднем около 10 млрд. эВ, энергия  отдельных частиц может достигать 10²⁰ зВ и выше. Химический состав ГКЛ несколько отличается от состава элементов земной коры, метеоритов, а также состава атмосферы Солнца и некоторых звезд. По мере увеличения расстояния от Солнца поток ГКЛ возрастает. Это обусловлено тем, что магнитные поля в Солнечной системе препятствуют проникновению заряженных частиц ГКЛ во внутренние области Солнечной системы, в частности в окрестности Земли.

Значительная часть ГКЛ, приходящих в окрестности Земли, отклоняется ее магнитным полем  и поглощается в атмосфере, толщина  которой эквивалентна 10 м воды. Взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы, ГКЛ образуют так называемые вторичные космические лучи (КЛ), в состав которых входят протоны, мезоны, электроны, нейтроны и т. д. Общий поток ГКЛ и образованных ими КЛ на уровне моря в средних широтах сравнительно невелик, так что эквивалентная доза облучения ГКЛ составляет около 30 – 40 мбэр в год и не представляет какой-либо опасности для здоровья людей.

Однако в межпланетном пространстве за пределами защитных слоев атмосферы Земли и вне  зоны геомагнитного поля доза облучения  ГКЛ значительно возрастает и  достигает 150 – 300 мбэр в сутки, или около 50 – 100 бэр в год, что создает определенную опасность для космонавтов, особенно при длительных космических полетах к другим планетам Солнечной системы. В связи с этим конструкторы будущих космических кораблей должны предусматривать специальную защиту для экипажей этих кораблей.

Солнечные космические лучи (СКЛ) составляют высокоэнергетичную часть корпускулярного излучения Солнца и возникают при так называемых хромосферных вспышках на Солнце, представляющих собой гигантские взрывы на его поверхности, сопровождаемые выбросом части солнечного вещества, оптическими явлениями, магнитными бурями и т. д. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока СКЛ может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока ГКЛ. Впервые событие такого рода было зарегистрировано в 1942 г. Наиболее мощный поток СКЛ был зарегистрирован во время вспышки 23 февраля 1956 г., когда плотность потока КЛ на поверхности Земли увеличилась в несколько раз, в районе Москвы, например, – в 4 раза.

СКЛ состоит из протонов, в меньшей степени из ядер гелия (альфа-частиц) и более тяжелых  ядер. Относительное содержание различных  компонент в составе СКЛ в общем характерно для атмосферы Солнца. Скорость выброшенных частиц такова, что в ряде случаев СКЛ достигают окрестностей Земли приблизительно через 1 ч после того, как на Солнце прошла основная стадия мощной хромосферной вспышки.

Наибольшую радиационную опасность для человека в условиях космического полета представляют протоны  СКЛ, свободно проникающие через  оболочку обычных отсеков современных  космических кораблей. Предполагается, что энергия таких протонов равна  примерно 100 МэВ. За последние два  одиннадцатилетних цикла солнечной  активности наблюдали более ста  вспышек СКЛ, в которых присутствовали протоны с энергией около 100 МэВ  или более.

Для некоторых солнечных  вспышек эквивалентная доза облучения  СКЛ составляет сотни, а для многих – десятки бэр за вспышку. Если при полете за пределами магнитосферы Земли космонавт будет находиться во время солнечной протонной  вспышки вне космического корабля, то доза облучения, обусловленная этим источником радиации, может во многих случаях превысить смертельную. Конструкция же отсеков пилотируемого космического корабля несколько ослабляет поток СКЛ. Однако в обычных отсеках космического корабля (бытовых, рабочих и лабораторных) это ослабление невелико, и СКЛ могут представлять серьезную опасность для здоровья космонавтов.

По этой причине в одном  из наиболее защищенных отсеков (обычно в спускаемом аппарате, имеющем значительную толщину тепловой защиты, предохраняющей экипаж от перегрева при возвращении  на Землю) необходимо расположить оборудование так, чтобы данный отсек можно  было использовать в качестве радиационного  убежища. Например, при орбитальных  полетах в зоне экранирующего  действия магнитосферы Земли спускаемый аппарат космического корабля «Союз» оказывается достаточно надежным радиационным убежищем. Таким образом, необходимо применять специальные меры по обеспечению  радиационной безопасности космонавтов  при длительных космических полетах, включая создание радиационного  убежища для укрытия космонавтов  во время мощных солнечных вспышек, постоянное функционирование службы прогноза и контроля ухудшения радиационной обстановки и т. п.

Радиационный пояс Земли (РПЗ) – это потоки заряженных частиц (протонов и электронов), захваченных  геомагнитным полем и образующих области повышенной радиации. РПЗ  оказывается основным постоянным источником радиационной опасности при полетах  в околоземном пространстве.

Рассматривают две области  РПЗ: внутреннюю и внешнюю. Энергия  протонов, составляющих внутреннюю область  РПЗ, достигает нескольких сот мегаэлектрон-вольт. Эта область простирается на расстояние от нескольких сот до нескольких тысяч километров от поверхности Земли. В районе 35° ю. ш. и 325° в. д. РПЗ опускается до значительно меньшей высоты, образуя так называемую Южно-Атлантическую аномалию. Потоки протонов РПЗ в области аномалии составляют основной источник радиационной опасности при космических полетах по орбитам, расположенным ниже РПЗ.

В центральной зоне внутренней области РПЗ, находящейся на расстоянии 2000 – 3000 км от поверхности Земли, мощность эквивалентной дозы облучения протонами  РПЗ достигает нескольких сот  бэр в сутки, так что радиационная опасность в этой области пространства исключительно большая. Полет пилотируемых космических кораблей в центральной  зоне внутренней области РПЗ невозможен без специальной защиты космонавтов. Вместе с тем кратковременное  пересечение РПЗ вполне допустимо, особенно если трасса полета не проходит через его центральную зону или  если экипаж в момент пересечения  пояса находится в более защищенном отсеке.

При уменьшении высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до 400 – 500 км радиационная опасность резко  уменьшается и соответственно увеличивает- -ся допустимая продолжительность полетов пилотируемых космических кораблей без специальной защиты.

Пространственное распределение  электронов РПЗ характеризуется  двумя четко выраженными максимумами, первый из которых находится во внутренней области пояса на расстоянии около 3000 км, а второй – во внешней области  пояса на расстоянии около; 22 000 км от поверхности Земли. Вблизи первого  максимума мощность эквивалентной  дозы облучения достигает десятков и даже сотен тысяч бэр в  сутки, так что радиационная опасность  от электронов РПЗ в этой области  околоземного пространства исключительно  высока. Вблизи второго максимума  мощность эквивалентной дозы облучения  примерно на порядок ниже и составляет около 10⁴ бэр в сутки.

Высокие значения мощности эквивалентной дозы облучения электронами  РПЗ (без специальной защиты обитаемых  отсеков космических кораблей) характерны для значительной части околоземного пространства. Это необходимо учитывать  как при планировании выхода космонавтов  в открытый космос в этой части  околоземного пространства, так и при создании радиационной защиты обитаемых отсеков орбитальных станций.

Итак, степень радиационной опасности сильно зависит от траектории и продолжительности полета космического корабля. При полетах длительностью  в один–три месяца в околоземном  космическом пространстве ниже РПЗ  Земли радиационное воздействие  на экипаж за год сравнимо с уровнями облучения при профессиональной деятельности в земных условиях, связанной с ядерно-техническими установками. Так, при 84-суточ-ном полете на орбитальной станции «Скайлэб» доза облучения экипажа достигала 10 – 15 бэр, а при 96-суточном полете на станции «Салют-6» эта доза составила около 3 бэр. Для сравнения укажем, что годовая допустимая доза облучения, регламентируемая нормами радиационной безопасности для профессиональной деятельности в земных условиях, составляет 5 бэр.

Меньшее значение дозы облучения  для экипажа станции «Салют-6»  при большей длительности его  полета объясняется более низкой орбитой советской станции. На относительно низких орбитах полета станции радиационная обстановка в ее отсеках лучше, но при этом требуется больше топлива  для коррекции высоты орбиты, поскольку  на низких орбитах торможение в остаточной атмосфере более существенно. Длительному  функционированию станции «Салют-6»  на такой орбите способствовало осуществление  доставки топлива для коррекции  высоты орбиты с помощью грузового  космического корабля «Прогресс-1». Можно сказать, что именно запуск этого грузового космического корабля  помог в несколько раз снизить  дозу облучения первого основного  экипажа станции «Салют-6».

При дальнейшем увеличении длительности полета пропорционально  возрастает доза облучения ГКЛ, почти  неослабляемого конструкциями корабля, а также появляется опасность облучения в результате нескольких солнечных вспышек. В этом случае уже не представляется возможным обеспечить необходимую защиту экипажа только путем рациональной компоновки отсеков корабля и требуется дополнительная масса вещества для создания специальной защиты. При полете в межпланетном пространстве длительностью до года вес дополнительной защиты радиационного убежища составит несколько тонн. Причем такие затраты веса оправдываются только в том случае, если космонавты успевают вовремя укрыться в этом убежище. С этой точки зрения нерегулярный характер случаев ухудшения радиационной обстановки от солнечных вспышек представляет особую проблему.

Широкие исследования солнечной  активности, и особенно солнечных  вспышек, выполняемые разнообразными астрофизическими методами, в том  числе наблюдения, проводимые непосредственно  на борту орбитальных станций, создали  основу для прогнозирования радиационной опасности, связанной с отдельными явлениями такого типа. Для постоянного  контроля и прогноза радиационной опасности  и разработки оперативных рекомендаций по защитным мероприятиям, выполняемым  экипажем, в нашей стране создана  Служба радиационной безопасности космических  полетов, которая, в частности, обслуживала  полет станции «Салют-6».

Таким образом, радиационная опасность при космических полетах  может быть снижена. Основные способы  достижения этой цели – создание защиты и проведение оперативных мероприятий  на основе контроля и прогноза радиационной обстановки на трассах полета космических  кораблей и станций. Для их реализации необходима затрата значительных ресурсов (весовых, энергетических, финансовых), которые требуют рационального, оптимального распределения. Поэтому  для того, чтобы обеспечить безопасность полета в целом, необходимо решить вопрос о мере безопасности. Другими словами, вопрос в том, что принимать за меру опасности и каким должно быть ее граничное значение, отделяющее безопасные условия от опасных. Решение этого вопроса достигается усилиями специалистов по обеспечению радиационной безопасности, радиобиологии, физике противорадиационной защиты.

Проблема обеспечения  безопасности космических полетов  обусловлена, как уже указывалось  выше, наличием источников опасности  для здоровья космонавтов, с одной  стороны, и существующими в настоящее  время ограничениями массы космических  объектов – с другой. Это вынуждает  при планировании космических полетов  искать компромисс между имеющимися возможностями ракетно-космической  техники и способностью человека выполнить заданную программу полета в условиях повышенного (по сравнению  с обычными земными условиями) уровня риска для его здоровья и жизни.

Технические возможности  по осуществлению запусков в космос не позволяют в настоящее время  снабдить космонавтов такой же защитой, какой защищен персонал ядерно-технических  установок в земных условиях. Проблема радиационной защиты экипажей космических  кораблей оказывается очень сложной  также и вследствие того, что во время полета возможны значительные отклонения (вариабильность) радиационной обстановки от среднего уровня. Эти отклонения могут быть связаны как с вероятностным характером действия источников радиации, так и с возможностью возникновения потенциально опасных ситуаций на самом корабле. В целом это приводит к конечной вероятности превышения любого значения дозы радиационного облучения, установленного в качестве критерия радиационной безопасности для условий космического полета. Следует также учесть, что проявления радиобиологических эффектов вследствие естественной вариабильности также носят вероятностный характер. Поэтому становится ясным, что регламентированное значение дозы облучения не может быть однозначной мерой радиационной безопасности, и адекватной мерой радиационной безопасности следовало бы признать вероятность неблагоприятных последствий.