ΓΕΩΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗ (b1)


(CYNECHEIA APO 5/6/17)

ΕΠΙ∆ΡΑΣΗ ΚΟΣΜΙΚΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ∆ΙΑΣΤΗΜΙΚΑ ΚΑΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΥΨΗ. Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ 20ΗΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2005

Α. Παπαϊωάννου1 , Ε. Μαυροµιχαλάκη1 , E. Flüeckiger2 , R. Buetikofer2 , N. Fuller3 1 Τοµέας Πυρηνικής Φυσικής, Τµήµα Φυσικής, Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήµιο Αθηνών (email: atpapaio@phys.uoa.gr; Τηλ.:+30 210 727 6901, fax: +30 210 727 6987) 2 Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Βέρνης 3 Αστεροσκοπείο Παρισιού

Περίληψη: Πρόσφατες µελέτες καταδεικνύουν ότι οι βασικές πηγές ακτινοβολίας του διαστηµικού και ατµοσφαιρικού περιβάλλοντος είναι: (α) φορτισµένα σωµατίδια υψηλής ενέργειας, κυρίως πρωτόνια, που δηµιουργούνται έξω από το ηλιακό µας σύστηµα (γαλαξιακή κοσµική ακτινοβολία), (β) ηλιακά ενεργητικά σωµατίδια τα οποία εµφανίζονται ως έντονοι δίαυλοι φορτισµένων σωµατιδίων υψηλών ενεργειών που εκλύονται από τον Ήλιο κατά την διάρκεια εκρηκτικών γεγονότων (ηλιακή κοσµική ακτινοβολία) και (γ) ‘παγιδευµένα’ σωµατίδια σε ζώνες ακτινοβολίας (πρωτόνια, ηλεκτρόνια και βαρύτερα ιόντα). Το σύνολο των πληθυσµών αυτών έχει ελεύθερη πρόσβαση σε διαστηµόπλοια που βρίσκονται εκτός µαγνητόσφαιρας, αλλά και σε αυτά που βρίσκονται σε χαµηλότερα ύψη καθώς και σε αεροσκάφη. Οι ουσιαστικότερες καταγεγραµµένες επιδράσεις εµφανίζονται τόσο στα ηλεκτρονικά συστήµατα των σκαφών (διαστηµοπλοίων, δορυφόρων & αεροπλάνων), όσο και στα πληρώµατά τους. Τα δεδοµένα των κοσµικών ακτίνων τα οποία καταγράφονται αδιάλειπτα από ένα δίκτυο σταθµών Μετρητών Νετρονίων σε ολόκληρη την Γη αποτελούν ένα από τα σηµαντικότερα εργαλεία που έχουµε στην διάθεσή µας για τον ακριβή υπολογισµό των επιδράσεων των κοσµικών ακτίνων σε διάφορα ύψη µέσα στην ατµόσφαιρα και το διάστηµα (γεω-διάστηµα). Η έρευνα στη βασική επιστήµη παρέχει τους απαιτούµενους όρους για την κατανόηση των επιδράσεων των Κοσµικών Ακτινοβολιών και την κατασκευή κατάλληλων µοντέλων, χρήσιµων για τον σχεδιασµό συστηµάτων που θα εµφανίζουν ανθεκτικότητα σε τέτοιου είδους ακτινοβολία. Αναλύοντας τον πολύπλοκο γεω-διαστηµικό χώρο, αναπτύχθηκαν εµπειρικά ή ηµι-εµπειρικά µοντέλα από διαφορετικούς οργανισµούς. Σχετικά µε τις κοσµικές ακτίνες στο διάστηµα, το πιο γνωστό µοντέλο είναι το Cosmic Ray Effects on Microelectronics (CREME), το οποίο κατασκεύασε η Αµερικανική Εταιρία ∆ιαστήµατος (National Aeronautics & Space Administration – NASA), ενώ για τον υπολογισµό των δόσεων ακτινοβολίας σε ατµοσφαιρικά ύψη, πρόσφατα δηµιουργήθηκε το µοντέλο PLANETOCOSMICS, υπό το Ελβετικό Πανεπιστήµιο της Βέρνης. Στην εργασία αυτή πραγµατοποιείται λεπτοµερής ανάλυση του γεω-διαστηµικού περιβάλλοντος καθώς και του τρόπου µε τον οποίο οι µετρητές νετρονίων και ειδικότερα το ∆ιεθνές Κέντρο Επεξεργασίας ∆εδοµένων Κοσµικών Ακτινοβολιών του Πανεπιστηµίου Αθηνών (http://cosray.phys.uoa.gr) και η Ευρωπαϊκή Βάση ∆εδοµένων Μετρητών Νετρονίων (http://www.nmdb.eu) συµβάλουν στην κατανόηση των διαδικασιών που επικρατούν στο γεω-διαστηµικό περιβάλλον. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται η ανάλυση του πρόσφατου εκρηκτικού γεγονότος της 20ης Ιανουαρίου του 2005, µε δεδοµένα πραγµατικού χρόνου και ταυτόχρονη προσοµοίωση των επιπτώσεων σε γεω-διαστηµικά συστήµατα από τους αλγόριθµους CRΕME και PLANETOCOSMICS.

Εισαγωγή

Είναι γνωστό ότι η βασική έρευνα που προσανατολίζεται στο αντικείµενο της ακτινοβολίας, καλύπτει ένα ευρύ φάσµα, αφού η ακτινοβολία εντοπίζεται σε ολόκληρο το Σύµπαν, προέρχεται από πολλές πηγές και εµφανίζει µεταβλητή ένταση. Η φυσική ακτινοβολία που εµφανίζεται στο ∆ιαστηµικό περιβάλλον κατηγοριοποιείται σε δυο πληθυσµούς, στα σωµατίδια που εγκλωβίζονται από τις µαγνητόσφαιρες των πλανητών και σχηµατίζουν ‘ζώνες’ ακτινοβολίας – περιλαµβάνοντας πρωτόνια, ηλεκτρόνια και βαρύτερα ιόντα – και στα παροδικά σωµατίδια που περιλαµβάνουν πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα από όλα τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Ειδικότερα, η ακτινοβολία των παροδικών σωµατιδίων αποτελείται από σωµατίδια γαλαξιακής κοσµικής ακτινοβολίας καθώς και από σωµατίδια που προέρχονται από ισχυρά ηλιακά γεγονότα – όπως είναι οι ηλιακές εκλάµψεις: solar flares (SF) και οι στεµµατικές εκτοξεύσεις µάζας: coronal mass ejections (CMEs). Στην παρούσα εργασία θα επικεντρώσουµε την προσοχή µας στην επίδραση των ακτινοβολιών αυτών στο ∆ιαστηµικό περιβάλλον. Η µαγνητόσφαιρα της Γης βοµβαρδίζεται αδιάλειπτα από µια σχεδόν ισοτροπική ροή ενεργητικά φορτισµένων σωµατιδίων που ονοµάζεται κοσµική ακτινοβολία. Η ικανότητα διείσδυσης των γαλαξιακών αυτών κοσµικών ακτινοβολιών στην Γη, εξαρτάται από τις συνθήκες που επικρατούν στον Ήλιο. Συγκεκριµένα, στα χρόνια κοντά στο ηλιακό µέγιστο η ικανότητα διείσδυσης ελαττώνεται σηµαντικά ενώ την περίοδο του ηλιακού ελαχίστου η ικανότητα διείσδυσης αυξάνεται ραγδαία, συνεπώς υπάρχει ανάστροφη συσχέτιση ηλιακής δραστηριότητας και διείσδυσης κοσµικής ακτινοβολίας. Στο σηµείο αυτό, ωστόσο, είναι σηµαντικό να σηµειώσουµε ότι την περίοδο του ηλιακού µεγίστου, ο ίδιος ο Ήλιος είναι µια επιπρόσθετη πηγή παροδικών ενεργητικών σωµατιδίων χαµηλής ενέργειας που επιταχύνονται κατά την διάρκεια ηλιακών εκλάµψεων και στεµµατικών εκτοξεύσεων µάζας. Τα ισχυρά αυτά ηλιακά γεγονότα διαρκούν αρκετές ηµέρες και απελευθερώνουν πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα. Από άποψη ενέργειας τα σωµατίδια αυτά είναι της τάξης των µερικών εκατοντάδων MeV και κυρίως επηρεάζουν συστήµατα που βρίσκονται σε µεγαλύτερο υψόµετρο. Περιστασιακά καταγράφονται ηλιακά γεγονότα που παράγουν σωµατίδια µε ενέργεια της τάξης GeV. Τα σωµατίδια αυτά είναι εξαιρετικά ισχυρά και µπορούν να φτάσουν µέχρι και τα ισηµερινά πλάτη (Dyer C. and Rodgers D., 1998).

image

Εικόνα 1: Καλλιτεχνική απεικόνιση των ζωνών ακτινοβολίας γύρω από τη Γη

Όταν η πρωτογενής κοσµική ακτινοβολία φτάσει στο όριο της ατµόσφαιρας και εισέλθει σε αυτή, αλληλεπιδρά µε τα µόρια του αέρα και παράγονται καταιγισµοί δευτερογενών σωµατιδίων. Με την έννοια αυτή η ατµόσφαιρα συµπεριφέρεται ως φυσική ασπίδα της επιφάνειας της Γης. Η προάσπιση συστηµάτων 3 που βρίσκονται στην ατµόσφαιρα γίνεται περισσότερο περίπλοκη από την παραγωγή αυτών των δευτερογενών σωµατιδίων. Παραδείγµατος χάριν, τα ηλεκτρόνια δηµιουργούν εξαιρετικά διεισδυτική ακτινοβολία Χ και ακτινοβολία πέδης κατά τη διάδοση και επιβράδυνσή τους από ατοµικούς πυρήνες. Μέχρι και τις ηµέρες µας η λίστα µε τα επιζήµια γεγονότα που αποδίδονται στην Κοσµική ακτινοβολία και που καταγράφονται από επίγειες ανιχνευτικές διατάξεις, όπως οι µετρητές νετρονίων, περιλαµβάνει τις επίγειες επαυξήσεις κοσµικής ακτινοβολίας – Ground Level Enhancements (GLE)- και τις µειώσεις Forbush – Forbush decreases (FD).

Επιδράσεις Κοσµικών Ακτινοβολιών σε ∆ιαστηµόπλοια & Αεροπλάνα: Όπως ήδη σηµειώθηκε πρωτύτερα, τόσο οι γαλαξιακές κοσµικές ακτίνες όσο και τα ηλιακά σωµατίδια έχουν ελεύθερη πρόσβαση σε διαστηµόπλοια που βρίσκονται σε τροχιά έξω από την µαγνητόσφαιρα της Γης. ∆εδοµένου ότι τα σωµατίδια αυτά ξεπερνώντας την µαγνητόσφαιρα εισέρχονται στην ατµόσφαιρα της Γης, έχουν την ικανότητα να φτάσουν δορυφόρους που βρίσκονται σε πολικές , ιδιαίτερα ελλειπτικές και γεωσταθερές τροχιές (Barth J. et. al., 2003). Οι σηµαντικότερες επιδράσεις που καταγράφονται στα συστήµατα των διαστηµοπλοίων εξαιτίας των Κοσµικών Ακτινοβολιών είναι:

(α) Καταστροφή ηλεκτρονικών συστηµάτων, όπως είναι τα ηλιακά κελιά ή διάφορα άλλα υλικά, εξαιτίας ακτινοβολιών από σωµατίδια που βρίσκονται στις ζώνες ακτινοβολίας της Γης και σε ηλιακά ενεργητικά σωµατίδια (SEP)

(β) Μεµονωµένες επιδράσεις στα µικροηλεκτρονικά συστήµατα (Single Event Effects –SEE), λόγω του ιονισµού που υφίστανται ορισµένα υλικά εξαιτίας των γαλαξιακών κοσµικών ακτίνων και των ηλιακά ενεργητικών σωµατιδίων.

(γ) Παρεµβολές στα συστήµατα καταγραφής και απεικόνισης

(δ) Ηλεκτροστατική φόρτιση, εξαιτίας ‘καυτού’ – της τάξης των keV – πλάσµατος και ενεργητικών ηλεκτρονίων – της τάξης των MeV (Daly E., 2004).

image

Εικόνα 2: ∆ηµιουργία SEU από πρωτόνια και από βαρύτερα ιόντα που εισέρχονται σε δίοδο

Σε ό,τι αφορά τα συστήµατα των δορυφόρων και των αεροπλάνων, οι µεµονωµένες επιδράσεις (SEE) αποτελούν το πιο σηµαντικό πρόβληµα. Οι πρωτογενείς κοσµικές ακτίνες είναι πολύ ενεργητικές και προκαλούν έντονο ιονισµό, δηλαδή απαλείφουν τα ηλεκτρόνια των ατόµων που βρίσκονται κατά µήκος της διαδροµής που διαγράφουν – µε τον τρόπο αυτό δηµιουργείται φορτίο (εικόνα 2). Η πυκνότητα φορτίου που αποτίθεται είναι ανάλογη του τετραγώνου του ατοµικού αριθµού των κοσµικών ακτίνων. Έτσι, τα βαρύτερα είδη µπορούν να εναποθέσουν αρκετό φορτίο σε έναν µικρό όγκο και να δηµιουργήσουν προβλήµατα σε κελιά µνήµης. Τέτοιου είδους σφάλµατα στοιχειοθετούν µια µεγάλη κατηγορία που έχει την ονοµασία: µεµονωµένες διαταραχές (single event upsets – SEU), τµήµα της οποίας είναι και οι µεµονωµένες  επιδράσεις (single event effects – SEE) που αναφέρονται ως επιβλαβείς αλληλεπιδράσεις οφειλόµενες σε µεµονωµένα σωµατίδια.

Σχετικά µε τις πτήσεις και την επίδραση των ακτινοβολιών στον άνθρωπο, η ∆ιεθνής Επιτροπή για την Ραδιολογική Προστασία, το 1990, συνέστησε ότι η έκθεση σε ακτινοβολία σε µεγάλα ύψη, εξαιτίας των κοσµικών ακτινοβολιών θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν ως τµήµα της συνολικής έκθεσης σε ακτινοβολία συγκεκριµένων κατηγοριών επαγγελµάτων. Η συγκεκριµένη πρόταση οδήγησε στην έκδοση της οδηγίας 96/29, άρθρο 42, της Ευρωπαϊκής Ένωσης θέτοντας ως ανώτερο όριο το 1 mSv1 ανά χρόνο. Πρόσφατα µια εµπεριστατωµένη βάση δεδοµένων που περιλαµβάνει στοιχεία από µετρήσεις που έγιναν σε αεροπορικές πτήσεις σε ολόκληρο τον κόσµο καθιστά δυνατή την χαρτογράφηση των δόσεων ακτινοβολίας αναφορικά προς τα διάφορα γεωγραφικά πλάτη, καθώς επίσης και την δηµιουργία µιας λεπτοµερής περιγραφής των Κοσµικών ακτινοβολιών που συµβάλουν στο σωµατιδιακό περιβάλλον ώστε να καθοριστούν οι επιδράσεις κατά τις µακρόχρονες και βραχύχρονες µεταβολές της έντασης Κοσµικής ακτινοβολίας (Stassinopoulos E. et al., 2003). Με αντίστοιχο εξοπλισµό που τοποθετήθηκε στις Τσέχικες αερογραµµές το 2001(Spurny F. et al., 2004 ) καταγράφηκαν οι µειώσεις Forbush (FD) στις 12 Απριλίου και στις 6 Νοεµβρίου, όπως επίσης και η Επίγεια Επαύξηση Ακτινοβολίας – GLE60, στις 15 Απριλίου του ίδιου έτους. Τα αποτελέσµατα των πειραµατικών µετρήσεων θα πρέπει να διασταυρώνονται συνεχώς µε τους αντίστοιχους κώδικες µεταφοράς ώστε να είναι δυνατή η αποτίµηση των επιπέδων έκθεσης εξαιτίας της γαλαξιακής κοσµικής ακτινοβολίας. Τα συµπεράσµατα των παραπάνω µελετών επέδειξαν ποσοτική και ποιοτική συσχέτιση των γεγονότων που καταγράφονται στην κοσµική ακτινοβολία µε την περιβάλλουσα ακτινοβολία κοντά στην επιφάνεια της Γης. Αποτελεί κοινή πίστη, σήµερα ότι η απόλυτη προάσπιση από τα υψηλής ενέργειας πρωτόνια που εκτοξεύονται από τον Ήλιο, και από τις γαλαξιακές κοσµικές ακτίνες είναι αδύνατο να επιτευχθεί.

Για τον λόγο αυτό συνίσταται η κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων για τα οποία από την σχεδίασή τους θα έχει γίνει πρόβλεψη άµεσης απόκρισης στην εµφάνιση SEE (Bentley B., 2006). Επιπρόσθετα, ο χώρος στον οποίο αποδίδονται τα περισσότερα SEE, είναι η Ανωµαλία Νοτίου Ατλαντικού (South Atlantic Anomaly -SAA), όπως απεικονίζεται και στην εικόνα 3. Η ανωµαλία αυτή εµφανίζεται ως ένα µικρό εξόγκωµα στην εσωτερική ζώνη πρωτονίων που περιβάλει την Γη (εικόνα 1) και οφείλεται στην κλίση του γεωµαγνητικού δίπολου ως προς τον άξονα περιστροφής της Γης.

image

Εικόνα 3: Εντοπισµός του χώρου εµφάνισης SEE στην ανωµαλία νοτίου Ατλαντικού – SAA

Το µαγνητικό πεδίο της Γης λειτουργεί προστατευτικά ως προς την επιφάνειά της αποκόπτοντας ενεργητικά σωµατίδια που προσπαθούν να εισέλθουν στη µαγνητόσφαιρα. Η ίδια η ατµόσφαιρα αποτελεί ένα ακόµη προστατευτικό φράγµα σε ό,τι αφορά τη ροή των κοσµικών σωµατιδίων. Το αποτέλεσµα των παραπάνω διαδικασιών είναι η εµφάνιση σηµαντικής εξάρτηση της καταγραµµένης ροής, ως συνάρτηση του ύψους και του γεωγραφικού πλάτους (εικόνα 4) (Bentley B., 2006)

image

Εικόνα 4: Εξάρτηση της καταγεγραµµένης ροής ως προς το ύψος (διάγραµµα αριστερα) και ως προς το γεωγραφικό πλάτος (διάγραµµα δεξιά)

Είναι σαφές ότι η εκτίµηση της πιθανότητας εµφάνισης ανωµαλιών, τόσο σε συστήµατα διαστηµοπλοίων όσο και σε αντίστοιχα αεροπορικά θα πρέπει να ακολουθεί ένα συγκεκριµένο δρόµο. Πρώτα από όλα, θα πρέπει να υπάρχει µια παγκόσµια καταγραφή όλων των παραµέτρων που αναφέρονται στο ∆ιαστηµικό και στον Επίγειο καιρό µε σκοπό την αναζήτηση συγκεκριµένων κριτηρίων ανάµεσα στις καταγεγραµµένες ανωµαλίες και στα παγκόσµια χαρακτηριστικά του ∆ιαστηµικού και του Επίγειου καιρού, ώστε να κατασκευαστούν µοντέλα κατάλληλα προς πρόγνωση. Πέρα από τις εξαιρετικά χρήσιµες δορυφορικές µετρήσεις, ένα πολύ σηµαντικό εργαλείο που θα εξυπηρετήσει αυτές τις ανάγκες, είναι οι ανιχνευτές νετρονίων, δεδοµένου ότι είναι αξιόπιστες ανιχνευτικές διατάξεις χαµηλού κόστους που διατηρούν συνεχείς χρονοσειρές µετρήσεων για περισσότερα από πενήντα χρόνια και δεν επηρεάζονται από κανένα ισχυρό γεγονός (Dyer C. et. al., 2006).

(ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ)

CEMEIOOSEIS

1 mSv: Είναι µονάδα µέτρησης της απορροφόµενης ακτινοβολίας

PAGAN 13ο Πανελλήνιο Συνέδριο της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών Πάτρα, 17 – 21 Μαρτίου 2010 ΦΥΣΙΚΗ και ΑΝΘΡΩΠΟΣ ” Ερευνητικά α̟οτελέσµατα και τεχνολογίες για τη βελτίωση της ̟οιότητας ζωής”

Advertisements

About sooteris kyritsis

Job title: (f)PHELLOW OF SOPHIA Profession: RESEARCHER Company: ANTHROOPISMOS Favorite quote: "ITS TIME FOR KOSMOPOLITANS(=HELLINES) TO FLY IN SPACE." Interested in: Activity Partners, Friends Fashion: Classic Humor: Friendly Places lived: EN THE HIGHLANDS OF KOSMOS THROUGH THE DARKNESS OF AMENTHE
This entry was posted in NEWS FROM SYNPAN and tagged , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.