Угрозу несёт не только первичная радиация — высокоэнергичные частицы галактических космических лучей и солнечных вспышек, но и вторичные частицы, которые рождаются в верхнем слое грунта и элементах конструкции самого космического аппарата. В число этих вторичных частиц входят нейтроны, они могут быть очень опасны для человека.
Сотрудники отдела ядерной планетологии ИКИ РАН провели численное моделирование нейтронного потока на орбите и на поверхности Луны и Марса и оценили вклад вторичных нейтронов в общую радиационную дозу. При этом они учитывали состав грунта, атмосферу, а также солнечную активность.
Если в грунте содержится водяной лёд, то молекулы воды эффективно тормозят возникающие в ядерных реакциях нейтроны, и энергия вторичных частиц будет ниже. Эффект от наличия атмосферы не столь однозначен, но в случае Марса, где плотность атмосферы невелика, она становится своеобразным «зеркалом», которое многократно отражает излучаемые с поверхности нейтроны и таким образом значительно увеличивает уровень радиации.
Полученные в ходе моделирования результаты сравнили с данными приборов ХЕНД (детектор высокоэнергичных нейтронов), ДАН (динамическое альбедо нейтронов) и ФРЕНД (детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения), а также с результатами, полученными в лунном эксперименте ЛЕНД (лунный исследовательский нейтронный детектор). Приборы работают на марсианских и лунных аппаратах, измеряя потоки нейтронов на орбите или, в случае ДАН, на поверхности планеты.
Для Марса была построена глобальная карта распределения нейтронной компоненты радиационного фона в условиях спокойного Солнца, когда основной источник вторичных нейтронов — заряженные частицы галактических космических лучей. При этом учитывались региональные различия содержания подповерхностной воды и сезонные атмосферные вариации.
На основе этой карты была составлена таблица нейтронных доз для районов-кандидатов на возможные места посадок будущих пилотируемых экспедиций. В максимуме потока галактических космических лучей, по данным расчётов, мощность нейтронной дозы может составлять от 85 до 145 мкЗв/сут*, в зависимости от выбранного места посадки. Существенное влияние на величину дозы оказывает наличие в грунте подповерхностной воды (изменение дозы на 25%) и локальная толщина атмосферы (изменение дозы на 15%). Сезонные вариации атмосферы почти не влияют на величину дозы (изменение дозы не более 4—6%).
С точки зрения радиационного риска, именно из-за нейтронного фона наиболее безопасными местами выступают области с высоким содержанием воды, находящиеся на высокогорье, где атмосферный столб менее высок. Опираясь на эти данные, исследователи предложили наиболее безопасные районы посадки для будущих экспедиций.
Также исследователи промоделировали влияние на радиационную обстановку на Марсе мощных солнечных протонных событий. Одно из таких событий произошло в мае 2024 года. Работающие у планеты и на её поверхности приборы измерили возрастание нейтронного фона, и таким образом удалось экспериментально проверить результаты численного моделирования. Суммарная нейтронная доза в случае мощных солнечных протонных событий, которую могли бы получить космонавты, находясь на поверхности Марса, составила бы около 600 мкЗв, что эквивалентно 11 дням пребывания там в условиях спокойного Солнца.
Сотрудники ИКИ РАН на основе полученных результатов оценили, как мощные исторические события на Солнце, какой была, например, самая сильная за всю историю наблюдений геомагнитная буря 1859 года (событие Кэррингтона), отразились на радиационной обстановке на Луне и Марсе. Согласно расчётам, во время этого события величина нейтронной дозы радиации должна была примерно в 1000 раз превысить фоновое значение. Величина же полной радиационной дозы (не только от вторичных нейтронов, но и от солнечных протонов) на лунной поверхности во время события Кэррингтона была близка к предельно допустимым значениям для человека в космическом пространстве. Для Марса оценка нейтронной компоненты радиационной дозы во время события Кэррингтона составила 240 мЗв, что сопоставимо с величиной годовой дозы, допустимой для космонавтов.
Исследование выполнено в рамках государст-венного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты работы опубликованы в журналах Astronautica, Acta Astronautica, Космические исследования.
Комменатарии к статье
* В пересчёте на год доза 145 мкЗв/сут составляет 52,825 мЗв, что значительно превышает норму облучения для населения (1 мЗв в год, согласно СанПин), и достигает верхнего предела (не более 50 мЗв в год), установленного для персонала, работающего с источниками излучения.
