تهديدات صحية من الأشعة الكونية

تُعتبَر التهديدات الصحية الناجمة عن الأشعة الكونية الخطرَ الذي تشكله الأشعة الكونية المجرّية (جي سي آر) وجزيئات الطاقة الشمسية على رواد الفضاء خلال رحلاتهم بين الكواكب أوخلال مغامراتهم في اجتياز حزام فان آلن الإشعاعي أوإلى خارج الغلاف المغناطيسي للأرض. إنها واحدة من أكبر العوائق التي تقف في طريق خطط السفر بين الكواكب بواسطة المركبات الفضائية المأهولة، ولكن المخاطر الصحية تحدث أيضًا نتيجة الإشعاع الفضائي بالنسبة لرحلات الفضاء البشرية في مدار أرضي منخفض مثل محطة الفضاء الدولية.

في أكتوبر 2015، أصدر مخط المفتش العام التابع لوكالة ناسا تقريرًا عن المخاطر الصحية المرتبطة باستكشاف الفضاء، بما في ذلك البعثات البشرية إلى المريخ.

بيئة الإشعاع في الفضاء العميق

تختلف بيئة الإشعاع في الفضاء العميق عن البيئة الموجودة على سطح الأرض أوفي مدار أرضي منخفض، وذلك بسبب التدفق الأكبر من الأشعة الكونية المجرّية عالية الطاقة، إلى جانب الإشعاع الناتج عن أحداث البروتون الشمسي والأحزمة الإشعاعية.

تتكون الأشعة الكونية المجرّية من بروتونات عالية الطاقة بنسبة (85٪) وهيليوم بنسبة (14٪) ونويات أخرى عالية الطاقة (أيونات إتش زد إي). تتكون جسيمات الطاقة الشمسية بشكل أساسي من البروتونات التي تسرعها الشمس إلى الطاقات العالية من خلال قربها من الانفجار الشمسي والانبعاث الكتلي الإكليلي. إذا الأيونات الثقيلة والبروتونات منخفضة الطاقة وجسيمات الهيليوم هي أشكال شديدة التأين من الإشعاع، ما يؤدي إلى أضرار بيولوجية متميزة مقارنةً بأشعة إكس وأشعة غاما. يتكون ترسيب الطاقة المجهرية من جسيمات شديدة التأين من مسار إشعاعي أساسي؛ بسبب التأين المباشر بواسطة الجسيمات والإلكترونات منخفضة الطاقة التي تنتج في التأين، وطيف من إلكترونات ذات طاقة أعلى يمكن حتى تمتد مئات الميكرونات من مسار الجزيئات في الأنسجة. وينتج المسار الأساسي مجموعات كبيرة للغاية من عمليات التأين داخل بضعة نانومترات، والتي تختلف نوعيًا عن ترسيب الطاقة بواسطة الأشعة السينية وأشعة غاما، إضافة إلى حتى بيانات فهم الأوبئة البشرية التي لا توجد إلا لهذه الأشكال الأخيرة من الإشعاع محدودة في التنبؤ بالمخاطر الصحية من الإشعاع الفضائي على رواد الفضاء.

لكن توجد الأحزمة الإشعاعية بطبيعة الحال داخل الغلاف المغناطيسي للأرض ولا تحدث في الفضاء العميق، في حين تتحكم الأشعة الكونية المجرّية لا الأشعة المحبوسة بجرعات الأجهزة المكافئة في محطة الفضاء الدولية. يتميز ترسب الطاقة المجهرية في الخلايا والأنسجة عن الأشعة الكونية المجرّية مقارنةً بالأشعة السينية على الأرض، ما يؤدي إلى جميع من الاختلافات النوعية والكمية في الآثار البيولوجية، في حين لا توجد بيانات في فهم الأوبئة البشرية عن تسبب الأشعة الكونية المجرّية للسرطان والمخاطر القاتلة الأخرى.

تعَد دورة الطاقة الشمسية فترة نشاط مدتها 11 عامًا تقريبًا من النشاط الشمسي المتغير، بما في ذلك الحد الأقصى للطاقة الشمسية حيث تكون الرياح الشمسية هي الأقوى والحد الأدنى للطاقة الشمسية حيث تكون الرياح الشمسية أضعف. تخلق الأشعة الكونية المجرّية جرعة إشعاعية مستمرة في جميع أنحاء المجموعة الشمسية حيث تزداد خلال الحد الأدنى للطاقة الشمسية وتتناقص خلال الحد الأقصى للطاقة الشمسية (النشاط الشمسي). إذا أحزمة الإشعاع الداخلية والخارجية هما منطقتان من الجسيمات المحاصرة من الرياح الشمسية التي تتسارع فيما بعد من خلال التفاعل الديناميكي مع المجال المغناطيسي للأرض. على الرغم من ازدياد جرعة الإشعاع في هذه الأحزمة بشكل دائم، يمكن حتى تزداد بشكل كبير أثناء العواصف الجيومغناطيسية والعواصف الجزئية. أحداث البروتونات الشمسية (إي بّي إي) هي دفعات من البروتونات النشطة التي تسرعها الشمس. تحدث نادرًا نسبيًا ويمكن حتى تنتج مستويات إشعاع عالية جدًا. أي دون استخدام وسائل حجب سميكة، تكون أحداث البروتونات الشمسية قوية بما يكفي لتسبب التسمم الإشعاعي الحاد والموت.

الحياة على سطح الأرض محمية من الأشعة الكونية المجرّية بفضل عدد من العوامل:

إن الغلاف الجوي للأرض غير نافذ بالنسبة للأشعة الكونية الأولية التي تحتوي على طاقات أقل من 1 غيغا إلكترون فولت، لذا فإن الإشعاع الثانوي فقط هوالذي يمكن حتى يصل إلى السطح. يُخفَّف الإشعاع الثانوي عن طريق الامتصاص في الغلاف الجوي، وعن طريق التحلل الإشعاعي أيضًا أثناء تطاير بعض الجسيمات، مثل الميونات. تُوهَّن الجسيمات التي تدخل من اتجاه بعيد عن الذروة. يستقبل سكان العالم بمتوسط 0.4 مللي زيفرت من الإشعاع الكوني سنويًا (منفصل عن المصادر الأخرى للتعرض للإشعاع مثل غاز الرادون المُستنشق) بسبب حجب الغلاف الجوي. على ازدياد 12 كم، وفوق معظم الغلاف الجوي الواقي، يرتفع الإشعاع بمعدل سنوي إلى 20 مللي زيفرت عند خط الاستواء وإلى 50-120 مللي زيفرت عند القطبين، ويتراوح ذلك بين الحد الأقصى للظروف الشمسية والحد الأدنى من الظروف.
إن البعثات التي تتجاوز مدار الأرض المنخفض تعبر أحزمة فان آلن الإشعاعية. لذا بحاجة إلى حمايتها ضد التعرض للأشعة الكونية، أوإشعاع فان آلن، أوالتوهجات الشمسية. تقع المنطقة الواقعة بين اثنين وأربعة إشعاعات أرضية بين حزامي الإشعاع ويشار إليها أحيانًا باسم «المنطقة الآمنة».
يعمل الحقل المغناطيسي بين الكوكبي -الذي يشكل جزءًا لا يتجزأ من الرياح الشمسية- على حرف الأشعة الكونية. ونتيجةً لذلك، فإن تدفقات الأشعة الكونية داخل حافة الغلاف الشمسي ترتبط عكسيًا بالدورة الشمسية.
يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج عن البرق في السحب بارتفاع بضعة أميال فقط، حتى يخلق منطقة آمنة في أحزمة فان آلن الإشعاعية التي تحيط بالأرض. يمكن حتى تكون هذه المنطقة، المعروفة باسم «فتحة حزام فان آلن»، ملاذًا آمنًا للأقمار الصناعية في مدارات أرضية متوسطة، ما يحميها من الإشعاعات الشمسية الشديدة. نتيجةً لذلك، فإن طاقة الأشعة الكونية المجرّية في الغلاف الجوي لا تكاد تُذكر (نحو10⁻⁹ من الإشعاع الشمسي) أي تقريبًا ما يعادل ضوء النجوم.

من بين العوامل المذكورة أعلاه، التي تنطبق جميعها، باستثناء العامل الأول، على مركبة المدار الأرضي المنخفض، مثل مكوك الفضاء والمحطة الفضائية الدولية. ويبلغ متوسط حالات التعرض للأشعة الكونية على محطة الفضاء الدولية 150 مللي زيفرت في السنة، على الرغم من حتى عمليات الدوران المتكررة لطاقم المحطة تقلل من المخاطر الفردية إلى أدنى حد. تلقى رواد الفضاء في مهمتي أبولووسكاي لاب بمتوسط 1.2 و1.4 مللي زيفرت في اليوم. وبما حتى فترة بعثة أبولووسكاي لاب كانت أيامًا وشهورًا، على التوالي، لا سنوات، كانت الجرعات المعنية أصغر من المتسقط في البعثات المستقبلية الطويلة الأجل مثل كويكب قريب من الأرض أوالمريخ (ما لم يكن بالإمكان توفير المزيد من وسائل الحماية).

في 31 مايو2013، أفاد فهماء ناسا حتى بعثة مأهولة محتملة إلى المريخ يمكن حتى تنطوي على خطر كبير للإشعاع يعتمد على كمية إشعاع الجسيمات النشط الذي اكتشفه جهاز تقييم الإشعاع في مختبر علوم المريخ أثناء السفر من الأرض إلى المريخ في 2011-2012. مع ذلك، فإن الجرعة الممتصة والجرعة المكافئة لبعثة المريخ تنبأ بها جميع من قبل بادوار وكوشينوتا وغيرهم في أوائل التسعينيات، وكانت نتيجة تجربة المختبر التي تتوافق إلى حد كبير مع هذه التسقطات السابقة.

انظر أيضًا

الإشعاع الكهرومغناطيسي والصحة
إشعاع طبيعي
آثار رحلة الفضاء على جسم الإنسان
غلاف شمسي
قائمة الكائنات الحية الدقيقة التي تم اختبارها في الفضاء الخارجي
غلاف مغناطيسي
بروتون
انفجار شمسي
ريح شمسية
طب الفضاء
حزام فان آلن الإشعاعي

مراجع

^ Schimmerling, Walter. "The Space Radiation Environment: An Introduction" (PDF). The Health Risks of Extraterrestrial Environments. Universities Space Research Association Division of Space Life Sciences. مؤرشف من الأصل (PDF) في 26 أبريل 2012. اطلع عليه بتاريخخمسة ديسمبر 2011.
^ Chang, Kenneth (27 January 2014). "Beings Not Made for Space". نيويورك تايمز. مؤرشف من الأصل في 29 يونيو2019. اطلع عليه بتاريخ 27 يناير 2014.
^ Fong, MD, Kevin (12 February 2014). "The Strange, Deadly Effects Mars Would Have on Your Body". وايرد. مؤرشف من الأصل في 25 مارس 2014. اطلع عليه بتاريخ 12 فبراير 2014.
^ "Can People go to Mars?". science.nasa.gov. مؤرشف من الأصل في 19 فبراير 2004. اطلع عليه بتاريخ 02 أبريل 2017.
^ Shiga, David (16 September 2009), "Too much radiation for astronauts to make it to Mars", نيوساينتست, مؤرشف من الأصل في 1 يونيو2015 CS1 maint: ref=harv (link)
^ Virts, Terry (2017). View From Above: An Astronaut Photographs The World. National Geographic. صفحة 101. ISBN . Whenever the ISS flew through the South Atlantic Anomaly, we were exposed to a much greater flux of [galactic cosmic radiation].
^ Dunn, Marcia (29 October 2015). "Report: NASA needs better handle on health hazards for Mars". أسوشيتد برس. مؤرشف من الأصل فيعشرة مارس 2019. اطلع عليه بتاريخ 30 أكتوبر 2015.
^ Staff (29 October 2015). "NASA's Efforts to Manage Health and Human Performance Risks for Space Exploration (IG-16-003)" (PDF). ناسا. مؤرشف من الأصل (PDF) في 30 أكتوبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2015.
^ "Biomedical Results From Apollo - Radiation Protection and Instrumentation". lsda.jsc.nasa.gov. مؤرشف من الأصل في 15 مايو2013. اطلع عليه بتاريخ 2 أبريل 2017.
^ Evaluation of the Cosmic Ray Exposure of Aircraft Crew نسخة محفوظة 23 مارس 2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Sources and Effects of Ionizing Radiation, UNSCEAR 2008 نسخة محفوظةخمسة يناير 2019 على مسقط واي باك مشين.
^ Phillips, Tony (25 October 2013). "The Effects of Space Weather on Aviation". Science News. NASA. مؤرشف من الأصل في 28 سبتمبر 2019.
^ "Earth's Radiation Belts with Safe Zone Orbit". Goddard Space Flight Center, NASA. مؤرشف من الأصل في 20 ديسمبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 27 أبريل 2009.
^ Weintraub, Rachel A. "Earth's Safe Zone Became Hot Zone During Legendary Solar Storms". Goddard Space Flight Center, NASA. مؤرشف من الأصل في أربعة يناير 2019. اطلع عليه بتاريخ 27 أبريل 2009.
^ Schwadron, N. (8 November 2014). "Does the worsening galactic cosmic radiation environment observed by CRaTER preclude future manned deep space exploration?". Space Weather. 12 (11): 622–632. Bibcode:2014SpWea..12..622S. doi:10.1002/2014SW001084. hdl:2027.42/109973.
^ NASA (2005). "Flashes in the Sky: Lightning Zaps Space Radiation Surrounding Earth". ناسا. مؤرشف من الأصل فيستة يونيو2016. اطلع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2007.
^ Robert Roy Britt (1999). "Lightning Interacts with Space, Electrons Rain Down". Space.com. مؤرشف من الأصل في 12 أغسطس 2010. اطلع عليه بتاريخ 24 سبتمبر 2007.
^ Demirkol, M. K.; Inan, Umran S.; Bell, T.F.; Kanekal, S.G.; Wilkinson, D.C. (1999). "Ionospheric effects of relativistic electron enhancement events". Geophysical Research Letters. 26 (23): 3557–3560. Bibcode:1999GeoRL..26.3557D. doi:10.1029/1999GL010686.
^ Jasper Kirkby; Cosmic Rays And Climate CERN-PH-EP/2008-005 26 March 2008
^ Space Radiation Organ Doses for Astronauts on Past and Future Missions Table أربعة نسخة محفوظةتسعة يناير 2014 على مسقط واي باك مشين.
^ Kerr, Richard (31 May 2013). "Radiation Will Make Astronauts' Trip to Mars Even Riskier". ساينس. 340 (6136): 1031. doi:10.1126/science.340.6136.1031. PMID 23723213.
^ Zeitlin, C.; et al. (31 May 2013). "Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory". ساينس. 340 (6136): 1080–1084. Bibcode:2013Sci...340.1080Z. doi:10.1126/science.1235989. PMID 23723233.
^ Chang, Kenneth (30 May 2013). "Data Point to Radiation Risk for Travelers to Mars". نيويورك تايمز. مؤرشف من الأصل في 27 سبتمبر 2019. اطلع عليه بتاريخ 31 مايو2013.