WSTĘP ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA DAWKI ZMIANY W ORGANIZMACH ZAGROŻENIA RADIACYJNE NA DUŻYCH WYSOKOŚCIACH
do góry WSTĘP
      Promieniowanie kosmiczne podobnie jak inne produkty rozpadów radioaktywnych działając na organizmy żywe powodują zmiany w ich komórkach. Dawki promieniowania kosmicznego wzrastają wraz ze wzrostem wysokości ma to związek ze wzrostem natężenia promieniowania kosmicznego.
      Na wysokości około 10 km nie docierają cięższe jądra atomowe gdyż wcześniej ulegają fragmentacji, także promieniowanie pochodzące od śłońca jest absorbowane przez wyższe partie atmosfery. Zawsze jednak powyżej okolo 15 km występuje chociaż niewielka porcja ciężkich jąder.
      Cząstki promieniowania kosmicznego przenikając przez cialo żywych istot, powodują różne zmiany w ich komórkach: cząstki naładowane elektrycznie głównie wzbudzają i jonizują atomy, z których komórki są zbudowane. W procesie jonizacji z atomów są wyrywane elektrony.
      Uszkodenie radiacyjne obiektu jest proporcjonalne do energii promieniowania w nim pochłoniętego, a więc proporcjonalne do strat energii dE na jednostkę grubości dx warstwy napromieniowanej; -dE/dx jest proporcjonalne do z2/v2, gdzie z ładunek elektryczny, a v prędkość cząstki; uszkodzenie jest więc proporcjonalne do kwadratu ładunku i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu prędkości. [3]
do góry UDZIAŁ RÓŻNYCH ŹRÓDEŁ PROMIENIOWANIA W ŚREDNIM ROCZNYM EFEKTYWNYM RÓWNOWAŻNIKU DAWKI OTRZYMANEJ PRZEZ MIESZKAŃCA POLSKI W 1998r.
[7]
do góry JEDNOSTKI DAWEK I MOCY PROMIENIOWANIA. DAWKI DOPUSZCZALNE
      Jednostki dawki promieniowania definiuje się przez skutki wywołane przez nie w jednostce objętości lub masy materii.
      Przy definiowaniu jednostki dawki promieniowania X lub gamma wzięto początkowo pod uwagę jonizację wywołaną przez nie w materii. Tak określono jednostkę zwaną rentgenem, r: 1 rentgen odpowiada dawce promieniowania X lub gamma, które w 1 cm3 suchego powietrza - 0,001293 g w warunkach normalnych - wytwarza poprzez jonizację ładunek elektryczny każdego znaku równy jednej jednostce ładunku elektrostatycznego. Obecnie jednostkę dawki określa się przez ilość energii promieniowania pochłoniętą w jednostce objętości lub masy napromieniowanej materii.
      Wprowadza się pojęcie toksyczności określonego typu cząstki; toksyczność wzrasta z liniowym przekazem energii, LPE. Toksyczność cząstki jest tym większa, im więcej par jonów produkuje ona na danym odcinku jej drogi w ciele.
      Średnią dawkę promieniowania uzyskiwaną przez organizmy określono jako dawkę promieniowania środowiska naturalnego w ciągu roku na poziomie morza; na dawkę tę składa się radioaktywność naturalna i sztucznie wytworzona w trakcie zastosowań źródeł promieniowania w technologii i badaniach naukowych i technologicznych.
      Uszkodzenia radiacyjne zależą nie tylko od dawki promieniowania, lecz i od tego, jaki organ jest wystawiony na działanie promieniowania. [3]
do góry ZMIANY W ORGANIZMACH SPOWODOWANE PRZEZ PROMIENIOWANIE
      Mechanizm zmian wywoływanych w organizmach przez promieniowanie jądrowe jest następujący: jonizacja wytworzona przez promieniowanie w żywej komórce może naruszyć istotną funkcjonalnie strukturę chemiczną komórki lub zapoczątkować proces chemiczny w komórce; ważnym procesem jest tu radioliza wody, która prowadzi do pojawienia się rodników o wielkiej reaktywności chemicznej i w następstwie o silnej aktywności biologicznej. Prowadzi to do zmian składu chemicznego i przemian tkanki w wyniku zaburzenia syntezy białka i przemiany węglowodorowej. Najbardziej wrażliwą częścią komórki jest jej jądro, a w nim substancja chromatynowa. Reakcje zachodzące w komórce na skutek promieniowania są różne w różnych stadiach jej rozwoju - najbardziej czuła jest komórka w stadium wczesnego okresu dzielenia. Destrukcja jąder atomów - z jakich są zbudowane komórki - w procesach jądrowych prowadzi do zmian w strukturze i budowie chemicznej porażonej komórki - może to wywołać nieprawidłowości rozwoju.
      Odróżnia się trzy klasy efektów działania biologicznego promieniowania:
  1. Efekty somatyczne polegające na uszkadzaniu radiacyjnym komórek podtrzymujących procesy życiowe; mogą one przejawiać się wprost w ciele napromieniowanego osobnika po kilku minutach lub tygodniach, a nawet później -- po latach.
  2. Efekty genetyczne występujące przy uszkodzeniach komórek odpowiedzialnych za przekazywanie cech dziedzicznych; przejawiają się one statystycznie w całej populacji.
[3]
do góry ZAGROŻENIA RADIACYJNE NA ZIEMI - NA RÓŻNYCH WYSOKOŚCIACH NAD POZIOMEM MORZA, W PLANETARNYM SŁONECZNYM, W PRZESTRZENI MIĘDZYGWIAZDOWEJ
      Aby określić zagrożenie radiacyjne spowodowane promieniowaniem kosmicznym, trzeba znać strumień cząstek na różnych wysokościach. Przy obliczeniach można ograniczyć się do podstawowych składowych promieniowania właściwych dla danej wysokości nad poziomem morza. Należy pamiętać, że w ścianach aparatów latających mogą rozwijać się kaskady elektronowo-fotonowe i hadronowe; rozmnożenie spowodowane procesami kaskadowymi można pominąć jeśli grubość ścianek z danego materiału przewyższa charakterystyczne długości dla tego materiału - średnią długość drogi swobodnej do oddziaływania nukleonów w materiale i średnią długość radiacyjną. W przypadku samolotów warunki te są spełnione i rozmnażanie w ścianach może być pominięte. Ważne dane wyjściowe do obliczeń stanowią typowe zależności wysokości przebywania aparatów latających od czasu; można przyjąć, że czas osiągania wysokości ok. 10 km i lądowania samolotu o prędkości poddźwiękowej wynosi ok. 1 h, a samolotu o prędkości naddźwiękowej - około-0,5 h; pozostały lot odbywa się odpowiednio na wysokościach 10 i 23 km.

Rodzaj cząstekStrumień cząstek/(cm2•s•sr)
poziom morza10 km23km
Nukleony10-42 10-21.7 10-1
Elektrony4 10-32 10-11.0 10-1
Miony10-24 10-23.0 10-2
Strumienie nukleonów, elektronów i mionów na poziomie morza, na wysokości 10 km i na wysokości 23 km.

      Przy określaniu strumieni cząstek ograniczono się do nukleonów, elektronów i mionów. Nie uwzględniono zawartości w nich cięższych jąder atomowych. Zawartość tę zaniedbano; można tak postąpić w granicach błędów oszacowań. Jednak, bombardowanie ciała pojedynczymi jądrami, a zwłaszcza zatrzymywanie się ciężkich jąder w ciele może powodować duże wydzielanie energii w niewielkich obszarach i prowadzić do poważnych uszkodzeń lokalnych o mikroskopijnych średnicach.
      O.C. Allkofer i W. Heinrich podają dane z pomiarów i obliczeń zatrzymujących się jąder atomowych w centymetrze sześciennym ciała dla różnych głębokości w atmosferze, w czasie minimum aktywności słonecznej. Na podstawie tych danych obliczono liczbę zatrzymujących się różnych jąder wewnątrz sfery o promieniu 12 cm -- symulującej ciało ludzkie na wysokości 20 km w atmosferze. Dla jąder z liczbą ładunkową Z=6 otrzymano 5,6 • 10-3 zatrzymujących się jąder na centymetr sześcienny ciała ,nr ciągu godziny.
Całkowity strumień I jąder zatrzymujących się w cm3 ciała w ciągu godziny, zależnie od głębokości t w atmosferze ziemskiej; Z - liczba ładunkowa jądra atomowego. Według danych z pracy O.C. Allkofera i W. Heinricha [3]

      Rozbłyski słoneczne zwiększają dawki promieniowania kosmicznego, zwłaszcza w Układzie Słonecznym i w górnych warstwach atmosfer planet. Aby określić to zwiększenie w danym miejscu w przestrzeni w Układzie Słonecznym, trzeba rozporządzać informacją o profilu czasowym fali radiacji podczas rozbłysku; ważne są tylko takie rozbłyski, które wytwarzają nadzwyczaj wielkie natężenia w miejscach oceny dawki. Rozbłyski zdarzają się z częstością ok. 12 na rok, niektóre z nich powodują zmiany dawki protonów w pobliżu biegunów Ziemi nie wywołując żadnych zmian w pobliżu równika - z powodu dużego obcięcia magnetycznego; neutrony wtórne wytworzone w atmosferze - przez protony pojawiające się przy rozbłyskach -wnoszą od ok. 20 do ok. 50% dawki, zależnie od rodzaju rozbłysku. Około dwóch razy w roku pojawiają się rozbłyski dające wyjątkowo duże natężenia słonecznego promieniowania kosmicznego.
      O.C. Allkofer i M. Simon rozważają tzw. dawki głębokościowe i rozkłady głębokościowe dawek w ciele. Są one określone przez zależność dawki od głębokości w ciele, dla średniego rozbłysku słonecznego w określonym miejscu; na wysokości ok. 20 km dawka taka zmniejsza się ok. pięciokrotnie z głębokością w ciele od 0 do 30 cm, przy 0 cm wynosi ona ok. 0,5 mrad/h.
do góry ZMIANY W ORGANIZMACH ZAŁÓG APARATÓW LATAJĄCYCH
      Samoloty pasażerskie o prędkościach poddźwiękowych latają na wysokościach ok. 10 km, loty w samolotach naddźwiękowych odbywają się na wysokościach 17000-23000 m -- praktycznie poza atmosferą ziemską lub tuż przy jej rozmytej granicy; loty załóg statków kosmicznych sięgają wysokości kilkuset tysięcy metrów, a nawet kilkuset tysięcy kilometrów - jak dziesięciodniowa misja księżycowa Apollo. Przy takich lotach, zwłaszcza na wysokościach powyżej kilkunastu kilometrów organizm ludzki jest narażony na napromienienie.
      Przy lotach na wysokościach ok. 20 km, przy pracy załogi trwającej w ciągu miesiąca ok. 20 h, dawka promieniowania otrzymywana przez członków załogi jest porównywalna z roczną dopuszczalną dawką promieniowania. W czasie takich lotów załoga jest narażona i na słabe napromienianie jądrami ciężkimi. Chociaż strumień takich jąder na tych wysokościach wynosi tylko ok. 1% od strumienia pierwotnego, to wiadomo, że pojedyncze uderzenia jąder atomowych małych energii mogą powodować istotne lokalne uszkodzenia komórek w ciele. Szczególnie istotne mikrouszkodzenia zdarzają się, gdy jądro jest wyhamowywane w ciele. Oceny wykazują, że wyhamowywanie jąder o liczbie ładunkowej Z=6 powinno zdarzać się z częstością ok. 6•10-3 w ciągu godziny w 1 cm3 ciała.
      Przy długotrwałych lotach w statkach kosmicznych w otwartej przestrzeni -- poza atmosferą ziemską -- załoga jest narażona na dwa zasadnicze skutki napromienienia w pierwotnych promieniach kosmicznych: skrócenie życia i wzrost prawdopodobieństwa zachorowania na raka. Z danych obserwacyjnych w klinikach - gdzie pacjenci byli poddawani radioterapii -- można przewidzieć, że prawdopodobieństwo nabycia białaczki w czasie misji kosmicznej podwaja się.
      Wpływ ciężkich jonów na organizm ludzki badano w czasie misji Apolla na Księżyc, gdzie astronauci doznawali wrażenia rozbłysków świetlnych przy zamkniętych oczach. Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że takie rozbłyski były wywoływane przez uderzenia ciężkich jonów na siatkówkę. Z badań wynika, że cebulki włosów stają się koloru szarego przy padaniu na nie ciężkich jonów. Prawdopodobnie, gdy ciężki jon niskiej energii uderzy w jądro komórki, cała komórka niszczy się na skutek wydzielenia w niej dużej ilości energii. Ponieważ obszar objęty jonizacją w ośrodku wokół drogi jonu rozszerza się ze wzrostem ładunku elektrycznego jonu, każda komórka uderzona przez jon jest niszczona. Wyniki badań wpływu jonów na komórki - zwłaszcza komórki nerwowe
      Przed biologią i medycyną stają ważne problemy oddziaływania promieniowania kosmicznego jako ewentualnego czynnika stymulującego powstawanie życia w Kosmosie. Czeka na wyjaśnienie sprawa kancerogennego działania promieniowania kosmicznego na Ziemi [3]