TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Radijacija, korisna i opasna / Zračenje u kosmosu

Kosmos utiče na zdravlje

Zračenje ili radijacija je širenje energije iz njenog izvora u obliku zraka (snopa) elektromagnetskih talasa i/ili čestica. Pri tome, energetske čestice ili talasi se mogu kretati kroz vakuum ili kroz neku materiju koja nije neophodna za njihovo prostiranje. Kosmos je pun različitih vrsta zračenja koje je prirodnog porekla i stvaraju ga Sunce, zvezde i drugi astrofizički objekti poput kvazara ili galaktičkih centara. Osim Sunčevog, tek neznatan deo ostalog kosmičkog zračenja se probije kroz zaštitni omotač Zemljine atmosfere i njenog magnetskog polja i dospeva do površine Zemlje. Kao rezultat toga, unos energije kosmičkog zračenja u atmosferu je zanemarljiv, veličine oko 10–9 Sunčevog zračenja, što otprilike odgovara svetlosti zvezda pa je Sunce najveći izvor zračenja na Zemlji. Zbog toga se zračenje koje postoji na površini Zemlje ili u niskoj Zemljinoj orbiti znatno razlikuje od zračenja u kosmosu. Sunce emituje sve talasne dužine u elektromagnetskom spektru (EM), ali je većina u obliku vidljivog, infracrvenog i ultraljubičastog zračenja (UV)

Zračenje u kosmosu se sastoji od tri vrste zračenja: galaktičko kosmičko zračenje, solarne energetske čestice emitovane u kosmosu tokom solarne protonske oluje i pojasevi zračenja. Galaktičko kosmičko zračenje je dominantno u dubokom kosmosu jer dolazi izvan Sunčevog sistema, najviše iz naše galaksije Mlečni put. Ono se sastoji se od visokoenergetskih protona i teških jona nastalih izvan našeg Sunčevog sistema, koje su verovatno ubrzane u poslednjih nekoliko miliona godina magnetskim poljima ostataka supernova. Oko 90% sastava čine jezgra atoma vodonika (protoni) kod kojih su elektroni uklonjeni dok se atom ubrzavao u međuzvezdanom prostoru do brzina koje su približne brzini svetlosti, oko 9% čine jezgra helijuma (alfa zračenje) i elektroni (beta zračenje), dok svi ostali elementi (teški joni) čine jedva 1% i među njima su veoma retki elementi i izotopi (najznačajnija su jezgra gvožđa). Iako su u malom procentu, oni raspolažu velikom energijom pa njihov doprinos zračenju nije zanemarljiv.

Solarne baklje i izbacivanje koronalne mase

Druga vrsta zračenja se dešava povremeno, kada se na površini Sunca dogode džinovske eksplozije zvane Sunčeve (solarne) baklje, ili posle eksplozija u koroni kada dolazi do izbacivanja koronalne mase. U oba slučaja se izbacuju mlazevi plazme koji se raspršuju u svim pravcima u ogromnom prostoru u kosmosu, a delimično idu i u pravcu Zemlje. Obe pojave se često dešavaju u isto vreme, ali ne uvek. Solarne baklje u kosmos oslobađaju ogromne količine energije u obliku rendgenskih zraka (elektromagnetski talasi sa talasnim dužinama manjim od 10-9 m), gama zraka (fotona talasne dužine manje od 3×10-11 m) i strujanja čestica protona i elektrona. Strujanja ovih čestica dobijaju ubrzanje bilo u atmosferi Sunca ili u međuplanetarnom prostoru posle koronalnih eksplozija i postižu brzinu mnogo veću od uobičajenih čestica solarnog vetra. Pri tome i druga jezgra, kao što su helijum i HZE joni (visokoenergetska jezgra nekih komponenti galaktičkih kosmičkih zraka, odnosno jezgra elemenata težih od vodonika ili helijuma), takođe mogu biti ubrzana tokom ovih događaja. Zračenje koje su proizvele ove pojave poznato je kao solarna protonska oluja ili događaj (solar proton events-SPE), i na osnovu načina ubrzanja se dele na dve vrste: impulsivne i postepene. Impulsivne oluje se dešavaju nakon Sunčevih baklji, nastalih u naglim magnetskim erupcijama. Postepene oluje se javljaju u velikim rojevima iz pozadine izbačenih koronalnih masa koje se kroz kosmos kreću poput plimnog talasa i veći su rizik za kosmonaute i satelite jer traju duže, ponekad i danima. Ove pojave mogu imati ozbiljne posledice po kosmonaute i opremu na kosmičkim letelicama, čak i na lokacijama koje su udaljene od Sunca.

Pojasevi zračenja

Treća vrsta kosmičkog zračenja su unutrašnji i spoljašnji pojasevi zračenja (Van Alenovi pojasi), dva regiona naelektrisanih čestice koje su zarobljene u Zemljinom magnetskom polju (unutrašnja oblast Zemljine magnetosfere) i koja se kasnije ubrzavaju dinamičkom interakcijom sa tim magnetskim poljem. Pojasevi su nazvani po američkom fizičaru Džejmsu Van Alenu koji ih je prvi otkrio 1958. godine. Zemlja ima dva glavna pojasa koji se nalaze na visinamа od 1.000 do 60.000 km iznad površine Zemlje, a ponekad se dodatno formira i više privremenih pojaseva. Većina čestica koje se nalaze u ovim pojasevima dolazi iz Sunčevog vetra i kosmičkih zraka, pri čemu se kao posledica sudara između galaktičkih kosmičkih zraka i atoma Zemljine atmosfere u spoljašnjem sloju uglavnom nalaze visokoenergetski elektroni dok se kombinacija visokoenergetskih protona i neutrona nalazi u unutrašnjem sloju. Pojasevi povremeno sadrže manji broj drugih čestica kao što su alfa čestice i joni kiseonika, koji se kreću velikim brzinama formirajući snažan izvor elektromagnetskog zračenja. Ovi pojasevi štite površinu Zemlje od radijacije iz kosmosa, a intenzitet zračenja u njima varira u zavisnosti od količine zračenja koje stiže ka planeti i nadmorske visine. Iako je uvek visoka, doza zračenja u ovim pojasevima može se znatno povećati tokom geomagnetskih oluja i suboluja, tako da ovi pojasevi ugrožavaju satelite čija se orbita većim delom nalazi u samom pojasu. U tom slučaju sateliti moraju imati odgovarajuću zaštititu za svoje osetljive komponente. Inače, ovi pojasevi zračenja ne postoji u dubokom kosmosu.

Jonizujuće zračenje

Proces u kome se narušava stabilnost elektronskog omotača nekog atoma naziva se jonizacija, pri čemu se dobija slobodan elektron i pozitivno naelektrisan ostatak atoma ili jon. Zračenje se može podeliti na jonizujuće i nejonizujuće u zavisnosti od toga da li jonizuje okolnu materiju kroz koju zračenje prolazi. Iako je i nejonizujuće zračenje (kao što je UV zraćenje) štetno, od njega se okruženje lako može zaštititi - dok je to mnogo teže sa jonizujućim zračenjem. Jonizujuće zračenje ima sposobnost da stupa u interakciju sa materijom ili živim tkivom kroz koji prolazi i menja je u blizini putanje kojom čestica zračenja prolazi. To se dešava zahvaljujući velikoj energiji sa kojom raspolaže jer pri udaru u njene atome izbaci njihove elektrone niske energije i tako ih jonizuje. Pored toga, energija koju poseduje jonizujuće zračenje se gubi pri prolasku kroz materiju ili tkivo tako da dolazi i do njenog mikroskopskog taloženja u njima. Pošto može da poremeti atom materije kroz koju prolazi, jonizujuće zračenje takođe može da proizvede više čestica, uključujući neutrone, što predstavlja sekundarni efekat.
Kod živih bića, jonizujuća zračenja izazivaju različita oštećenja u tkivima i njihovim ćelijama, a najosetljiviji na zračenje je biološki makromolekul DNK. Direktno dejstvo jonizujućeg zračenja nastaje usled dejstva čestice jonizujućeg zračenja na vitalne makromolekule ćelija i proporcionalno je veličini makromolekula. Direktnim dejstvom zračenje oštećuje biomolekule DNA, proteina, lipida, ugljenih hidrata i dovodi do njihove jonizacije i ekscitacije. Kao posledica toga dolazi do kidanja postojećih veza između molekula i stvaranja novih veza između molekula i lanaca molekula i na taj način do oštećenja tkiva i ćelija, što dovodi do poremećaja metabolizma i fizioloških funkcija, mutacije i smrti ćelije.
Indirektno dejstvo nastaje usled radiolize vode (jonizacije molekula vode koja izaziva njihovo deljenje) u citoplazmi ćelije čiji je krajnji rezultat stvaranje slobodnih radikala. Slobodni radikali reaguju sa organskim molekulima prisutnim u ćeliji, a kao posledica ovih reakcija nastaju molekuli koji nemaju biološku funkciju, što dovodi do poremećaja u ćeliji i njenog daljeg funkcionisanja. Ovo može oštetiti molekule DNK u blizini putanje čestice, što može da izazove direktan prekid u lancima DNK uključujući lomove klastera gena koji su jedan blizu drugog. Ćelije ne mogu lako da poprave ove lomove, što povećava šanse za dobijanje katarakte, raka i oštećenje centralnog nervnog sistema. Takođe, dešavaju se i mutacije DNK u genima i hromozomima primordijalnih ćelija koje mogu poremetiti informaciju koja se prenosi sa ćelije na njene potomke prilikom deobe. Takvi prekidi klastera DNK su mnogo ređi ili se uopšte ne javljaju kada su ćelije izložene onim vrstama zračenja koje postoje na Zemlji.
Kako se pojedinačne ćelije sastoje od triliona atoma, samo mali deo će biti jonizovan pri niskom intezitetu zračenja. Verovatnoća da jonizujuće zračenje izazove rak ili neku drugu bolest zavisi od apsorbovane doze zračenja, i ona je funkcija tendencije štete tog tipa zračenja (ekvivalentna doza) i osetljivosti ozračenog organizma ili tkiva (efektivna doza). Zbog toga je, prilikom razmatranja biološkog dejstva zračenja, neophodno poznavati intenzitet zračenja kojem je izložen organizam, kao i količinu energije koju je organizam apsorbovao.

Uticaj kosmičkog zračenja na ljudski organizam

Sve vrste kosmičkog zračenja spadaju u jonizujuće zračenje, pri čemu je galaktičko kosmičko zračenje kontinuirano zračenje u celom Sunčevom sistemu, koja se povećava tokom solarnog maksimuma i smanjuje tokom solarnog minimuma. Inače, solarni ciklus je otprilike 11-godišnji period različitih solarnih aktivnosti u okviru kojih se dešava solarni maksimum kada je solarni vetar najjači, i solarni minimum kada je solarni vetar najslabiji.
Kako galaktički kosmički zraci sadrže teške, visokoenergetske jone elemenata kojima su odstranjeni svi elektroni dok su putovali kroz galaksiju skoro brzinom svetlosti, oni mogu praktično nesmetano proći kroz tipičnu kosmičku letelicu ili kožu kosmonauta i jonizovati atome kroz koje prolaze čime mogu proizvesti različita oštećenja na ljudskoj DNK, ćeliji i tkivima. Mili-Sivert (mSv) je jedinica koji se koristi za merenje doze zračenje. Svaki čovek na površini Zemlji godišnje primi u proseku 0,4 milisiverta (mSv) kosmičkog zračenja (odvojeno od drugih izvora izloženosti zračenju poput inhalacionog radona) zbog postojanja atmosferske zaštite Zemlje. Na visini od 12 km gde je atmosferska zaštita slabija, radijacija u proseku raste na 20 mSv na ekvatoru do 50-120 mSv na polovima, varirajući između solarnih maksimalnih i minimalnih uslova. Kosmonauti su izloženi jonizujućem zračenju sa efektivnim dozama u rasponu od 50 do 2.000 mSv. Kako 1 mSv jonizujućeg zračenja odgovara dozi od oko tri rendgenska zraka grudnog koša, svaki kosmonaut prosečno primi zračenje koje odgovara dozi kao da je imao 150 do 6.000 rendgenskih snimaka grudnog koša. To znači da izuzev u niskoj Zemljinoj orbiti, kosmičko zračenje može kod kosmonauta izazvati pojavu radijacione bolesti koja utiče na njihovo zdravlje tako što povećava mogućnost dobijanja raka, oboljenja centralnog nervnog sistema ili degenerativnih bolesti. To su potvrdile i istraživačke studije o izloženosti različitim dozama i jačinama zračenja koje su dokazale da se rak i degenerativne bolesti mogu očekivati usled izlaganja galaktičkim kosmičkim zracima ili solarnim protonskim olujama.

Količina kosmičkog zračenja kojoj kosmonaut može biti izložen dok kruži oko Zemlje zavisi od više faktora:
Orbitalni nagib - što je orbita kosmičke letelice bliže Zemljinim polovima (gde Zemljino magnetsko polje koncentriše jonizujuće čestice), to će biti veći nivoi zračenja.
Nadmorska visina iznad Zemlje - na većim visinama Zemljino magnetsko polje je slabije, pa je veća izloženost jonizujućim česticama, a kosmičke letelice češće prolaze kroz pojaseve zračenja.
Solarni ciklus - Sunce ima ciklus od 11 godina, koji kulminira dramatičnim povećanjem broja i intenziteta Sunčevih baklji, posebno u periodima kada postoje brojne Sunčeve pege.
Osetljivost pojedinca - istraživači još uvek rade na utvrđivanju šta jednu osobu čini podložijom efektima kosmičkog zračenja od druge osobe.
Kako je galaktičko kosmičko zračenje dominantan izvor zračenja u kosmosu, mora se voditi računa o njegovom uticaju na zdravlje kosmonauta koji borave na postojećim kosmičkim brodovima i budućim kosmičkim misijama unutar našeg Sunčevog sistema. Na Međunarodnoj kosmičkoj stanici kosmonauti prime u proseku oko 150 mSv godišnje, iako se rizik po zdravlje može umanjiti čestim rotacijama posade. Pošto na ove čestice utiče Sunčevo magnetsko polje, njihov prosečni intenzitet je najveći tokom perioda minimalnih Sunčevih pega kada je Sunčevo magnetsko polje najslabije i manje sposobno da ih odbije. Takođe, pošto se galaktičko kosmičke zračenje pojavljuju pri svakoj kosmičkoj misiji, od njega se teško može zaštititi pa je često opasniji od povremenih solarnih protonskih čestica. Sa druge strane, solarne protonske oluje, iako se javljaju relativno retko, mogu proizvesti izuzetno visoke nivoe zračenja. Bez odgovarajuće zaštite, solarne protonske oluje su dovoljno jake da izazovu akutno trovanje radijacijom i smrt živih bića. Kako je veoma teško predvideti dugoročne efekte kosmičkog zračenja na ljudsko telo u kosmosu, kosmonati koji budu morali da provedu mnogo meseci u misijama u budućnosti će morati da budu zaštićeni od izlaganja kosmičkim zracima u svojim letelicima.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"