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Impatto: Effetti sulle tecnologie ed effetti biologici dei raggi cosmici

Le radiazioni producono effetti sugli apparati elettronici o comunque tecnologici ad esse esposti, come pure sulle cellule degli esseri viventi. Per radiazioni intendiamo, in questo caso, le onde elettromagnetiche (fotoni), le particelle neutre (neutroni) e quelle energetiche elettricamente cariche (elettroni, protoni, ioni di elio - chiamati anche particelle alfa, e gli ioni di qualsiasi altro elemento chimico a cui ci riferiremo in seguito come a ioni pesanti). La composizione dell’atmosfera può essere alterata dall’ interazione con le radiazioni. Di notevole rilevanza per gli aeromobili è, per esempio, la ionizzazione in quanto influisce sulla propagazione delle onde elettromagnetiche. Il flusso continuo dei raggi cosmici che arriva dall’esterno del sistema solare, insieme a quello discontinuo prodotto dal Sole stesso, avrebbero un impatto enorme sulle forme di vita sul nostro pianeta e sulle nostre tecnologie avanzate se non fossimo protetti da uno strato relativamente sottile di atmosfera e dal campo magnetico terrestre. In ogni caso le variazioni delle condizioni e le perturbazioni dello “space weather” (tempo o meteorologia spaziale) comportano variazioni ed aumento dei rischi da radiazioni.

Le particelle responsabili della naturale radiazione spaziale possono essere classificate in due popolazioni: particelle intrappolate dalla magnetosfera del pianeta in cinture di radiazione e particelle extraplanetarie, comprendendo in questa popolazione elettroni, protoni, e ioni pesanti di tutti gli elementi della tavola periodica. La componente extraplanetaria è costituita da raggi cosmici galattici (GCR) e da particelle solari energetiche (SEP) associate a brillamenti solari e ad espulsioni di massa coronale (CMEs). Il loro impatto sugli esseri viventi e sugli apparati tecnologici è illustrato di seguito insieme a qualche accenno sulla modellistica computerizzata disponibile e sul ruolo dei neutron monitors nel monitoraggio e nella previsione dei rischi da radiazione extraplanetaria.

L’impatto tecnologico

Le particelle di alta energia possono provocare direttamente diversi tipi di danni agli apparati e strumentazione di bordo dei velivoli spaziali e persino degli aeroplani:

  • Le particelle energetiche possono ionizzare gli atomi e spostarli all’interno del loro lattice cristallino. Ad esempio i pannelli solari delle navette spaziali, che lasciano l’atmosfera terrestre, sono progressivamente danneggiati dagli effetti cumulativi di tali spostamenti con significative riduzioni delle loro prestazioni. Un grosso evento di particelle energetiche solari può, in pochi giorni, provocare la stessa perdita di efficienza di un intero anno di operatività con esposizione ai soli raggi cosmici galattici. La ionizzazione è spesso la causa principale del degrado della strumentazione di bordo. Le proprietà meccaniche e di isolamento elettrico del Teflon possono variare se il materiale è fortemente irradiato, come pure variano quelle delle vernici usate per l’isolamento termico. Tutto questo a scapito del tempo di vita media degli apparati.
  • Negli effetti di un evento singolo (single event effects - SEE) i danni sono causati da una singola particella ionizzante che può attraversare un componente microelettronico con un effetto distruttivo sul funzionamento di un intero circuito. I disturbi da evento singolo (single event upsets - SEU) sono prodotti specialmente da ioni pesanti di raggi cosmici primari o secondari, generati nell’atmosfera da protoni di alta energia. Essi possono causare comandi errati nei computer di bordo e conseguentemente il blocco in uno stato anomalo di dispositivi elettronici che non rispondono più ai segnali in ingresso. Nei casi peggiori gli SEEs possono causare delle bruciature burns outs, ovvero danneggiamenti permanenti ed irreversibili dei circuiti attraversati da flussi di correnti parassite. La miniaturizzazione ha accresciuto la vulnerabilità dei dispositivi elettronici in quanto singole cariche possono rilasciare sufficiente energia da provocare un SEE.
  • Anche gli elettroni energetici possono provocare danni di diverso tipo quando penetrano in una navetta spaziale e rilasciano la loro energia e la loro carica elettrica. In certe situazioni possono produrre una scarica in grado di interferire con la strumentazione ed i rivelatori, pregiudicare le letture degli strumenti e comportare erosione dei materiali. La profondità e la zona in cui si può verificare il danno dipende dall’energia di cui è dotata la particella.

La prevenzione dei diversi tipi di danni causati dalle particelle, o quanto meno la loro riduzione, dipende in larga misura dalla progettazione degli apparati e dalla scelta dei materiali per la loro realizzazione. In questo senso è necessario conoscere quale potrebbe essere l’evoluzione a lungo termine dell’intensità delle particelle ed il numero di eventi solari a cui la strumentazione potrebbe essere esposta. Nel caso di un satellite, ad esempio, le specifiche per la sua realizzazione devono tener conto della fase del ciclo solare, il più accuratamente predetta, durante la quale lo stesso sarà operativo.

Dal momento che lo space weather (tempo spaziale) e soprattutto il flusso di particelle è variabile, ci sono periodi in cui comunque l’operatività deve essere evitata, come il lancio di vettori o le attività con veicoli spaziali durante grossi eventi di particelle solari energetiche, soprattutto se interessano orbite attraversanti le zone polari.

Le particelle di alta energia e la componente secondaria da loro prodotta nell’atmosfera terrestre, hanno un impatto anche sui voli aerei su rotte polari. Lo stato dell’atmosfera terrestre, infatti, è maggiormente alterato dall’interazione con le particelle, proprio nelle regioni polari che sono le meno protette dal campo magnetico terrestre. Numerosi protoni, con energie relativamente ridotte, possono penetrare ad altezze tra i 50 ed i 70 Km da terra e ionizzare la ionosfera polare Questo effetto, conosciuto come polar cap absorption (PCA), (letteralmente assorbimento dei cappucci polari), determina a causa della elevata ionizzazione, un altrettanto elevato assorbimento delle onde elettromagnetiche alle basse frequenze, che sono quelle utilizzate per le comunicazioni radio con gli aerei. Già in passato è capitato che aerei di linea siano dovuti scendere molto di quota, durante eventi di particelle energetiche solari ( ad esempio nel Gennaio 2005), per poter ripristinare le comunicazioni con le torri di controllo.

La magnetosfera terrestre non è sempre una protezione, qualche volta può contribuire a creare dei danni. Il “vento” solare pompa continuamente energia nel sistema, tale energia può essere rilasciata in eventi esplosivi chiamati magnetospheric substorms. (sottotempeste magnetosferiche). I flussi di elettroni di alte energia generati durante questi eventi all’interno della magnetosfera disturbano notevolmente il regolare funzionamento dei satelliti per le comunicazioni. Questi fenomeni si manifestano normalmente in condizioni di scarsa attività solare, quando i veloci flussi di vento solare dai buchi coronali sono particolarmente efficienti nel trasferire energia alla magnetosfera della Terra.

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L’impatto biologico

Le particelle energetiche costituiscono un potenziale rischio per la nostra salute, poiché possono danneggiare le nostre cellule. Quando una particella energetica impatta contro una cellula, interagendo con gli elettroni delle sue molecole, rilascia parte della sua energia. Le conseguenze di questa interazione dipendono molto dall’energia della particella e dalla sua specie (protone, ione, elettrone, neutrone, fotone). Qualunque danno causato alle molecole, soprattutto al DNA, può avere conseguenze per il futuro della cellula e per la sua capacità di dividersi e di mantenere la sua struttura. L’incorretto funzionamento della cellula può, a sua volta, avere effetti sul tessuto o sull’organo di cui è una parte costitutiva.

  • Una cellula danneggiata può auto ripararsi, se questo non avviene la cellula muore. Se troppe cellule muoiono, l’organo non funziona più correttamente.
  • Se la riparazione non è completa, la cellula danneggiata continua a riprodursi ancora qualche volta, ma può trasferire il difetto alle cellule figlie. Il malfunzionamento di troppe cellule figlie può causare un grave o irreversibile danneggiamento di un organo. Le cellule danneggiate che sopravvivono possono anche diventare precursori di cellule cancerogene.

La radiazione cosmica comporta quindi due tipi di rischio per gli esseri viventi:

  • Le alti dosi di radiazione sono una minaccia immediata per la salute e persino per la vita stessa. A questo tipo di rischio possono essere esposti gli astronauti in missioni al di fuori della magnetosfera terrestre. Gli eventi di particelle solari energetiche sono riconosciuti come la più grave minaccia per i voli spaziali verso la Luna o Marte. Il grosso evento solare del 4 Agosto 1972 avvenne nel periodo delle missioni Apollo verso la Luna. Se avesse sorpreso degli astronauti in volo le conseguenze sarebbero state quasi sicuramente mortali.
  • Le bassi dosi di radiazione possono non avere conseguenze riscontrabili immediatamente, ma sul lungo periodo rappresentano un serio fattore di rischio oltre che per gli astronauti, anche per gli equipaggi degli aerei di linea su rotte polari. Volando sistematicamente in queste regioni dell’atmosfera terrestre sono esposti, infatti, a robuste e ripetute dosi di radiazione.

La mappa mostra le dosi di radiazione misurate, a bordo della stazione spaziale russa MIR dall’esperimento Nausicaa dell’Agenzia Spaziale Francese CNES, durante l’esposizione a massicce dosi di radiazione dovute a eventi di particelle energetiche solari nell’Ottobre 1989. L’orbita della MIR, ad una quota di 420 Km e con un’inclinazione di 51° rispetto all’Equatore terrestre, ha portato la stazione sopra le regioni polari del Canada e sull’Oceano Pacifico a Sud dell’Australia. Le dosi di radiazione misurate in queste due aree, come si rileva dal diametro dei cerchi sulla mappa, sono ben al di sopra di quelle misurate ad altre latitudini, con l’eccezione della zona di anomalia geomagnetica sopra l’Oceano Atlantico meridionale. Qui le massicce dosi di radiazione rilevate non dipendono da eventi solari, ma da particelle circolanti all’interno del campo magnetico terrestre.

Dosi di radiazione dovute ai raggi cosmici

Gli effetti dell’esposizione alle radiazioni sulla salute dipendono sia dalla quantità di energia assorbita dai tessuti (più è intenso il flusso di particelle maggiore è la quantità di energia che viene rilasciata), sia dalla specie di particelle, dalle loro energie e dallo specifico organo interessato. Per esempio i raggi X rilasciano energia in maniera quasi uniforme in un determinato volume, mentre l’energia dei neutroni viene ceduta in modo molto più localizzato secondo il tipo di interazione nucleare nel tessuto. I neutroni hanno una maggiore capacità di creare lesioni rispetto ai protoni di alta energia, agli elettroni o ai raggi gamma.

Le dosi di radiazione ricevute dal personale a bordo di navette spaziali o di aeromobili devono essere monitorate anche per valutare gli effetti cumulativi di esposizioni prolungate anche a livelli relativamente bassi. L’unità utilizzata per misurare questo effetto cumulativo è il Sievert (Rolf Sievert, fisico svedese 1896-1966). Questa unità di misura indica la somma delle dosi di radiazione assorbite dai diversi organi di un essere umano, tenendo conto (1) della specie di particelle e (2) dell’organo esposto secondo la sua specifica sensibilità alla radiazione ionizzante.

Alcuni esempi di dosi di radiazione:

  • La dose dovuta alla naturale radioattività ambientale della Terra è di media 2.4 mSv per anno, con marcate differenze tra i vari Paesi o aree geografiche. Al livello del mare il contributo dei raggi cosmici è circa 0.3 mSv.
  • La dose di radiazione assorbita durante una esame radiografico varia dai un decimo a diverse decine di mSv.
  • La dose tipica di radiazione ricevuta dai raggi cosmici galattici, durante un volo transatlantico (Europa - Nord America), è di 0,05 mSv che può aumentare significativamente in occasione di eventi di particelle solari energetiche. E’ stato stimato un aumento di un fattore 10, in casi di massima esposizione ad un evento, ma questi eventi sono abbastanza rari e brevi, dunque la dose annuale non cambia fondamentalmente. Gli equipaggi degli aerei ed i passeggeri che viaggiano frequentemente accumulano annualmente dosi di pochi mSv.
  • Le compagnie aeree, per obbligo di legge, devono verificare che i membri degli equipaggi, come tutti i lavoratori, non siano esposti a dosi cumulative maggiori di 100 mSv in cinque anni con un massimo di 50 mSv per anno. In particolare le assistenti di volo in gravidanza (essendo il feto più esposto ai rischi da radiazione) non devono ricevere più di 1 mSv in tutto il periodo di gravidanza.
  • Le misure dell’esperimento MIR/Nausicaa mostrano che i cerchi più grandi sulla mappa corrispondono alle dosi di radiazione massima di 2 mSv/h.
  • Un volo spaziale Terra - Marte implica una dose di radiazione pari circa a 1 Sv dovuto ai soli raggi cosmici galattici, senza tener conto di quella che potrebbe derivare da grossi eventi di particelle energetiche solari. Questa potrebbe essere molto più alta con grave ed immediata minaccia per la vita se non fossero adottati adeguati sistemi di protezione.

Notare che dal momento che l’unità di misura Sievert stima il rischio dovuto a esposizioni a bassi livelli di radiazione (effetti stocastici) è un non senso parlare di valori superiori a 1 Sv.

Maggiori informazioni: http://www.sievert-system.org/WebMasters/en/index.html

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Modellazione, monitoraggio e previsione dei flussi di particelle
nell’ atmosfera terrestre

Codici computers

L'analisi del complesso ambiente spaziale e il suo impatto sui sistemi spaziali ha portato allo sviluppo di modelli empirici o quasi-empirici da parte di diverse organizzazioni, spesso in modo indipendente le une dalle altre. Per quanto riguarda i raggi cosmici il modello operativo più noto e utilizzato è il modello Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics (CREME) sviluppato dalla NASA, che è anche accessibile attraverso l’interconnessione, Space Environment Information System (SPENVIS) sviluppato dall'ESA. Entrambi sono dotati di interfacce ‘user-friendly’ tramite internet.

Un modello di raggi cosmici galattici predice spettri di flusso di particelle per tutti gli elementi della tavola periodica dall'idrogeno all'uranio e per energie variabili da 1 a 10.000 MeV / nucleone. Lo spettro del flusso particelle-energia è convertito in uno spettro di trasferimento lineare di energia (linear energy transfer (LET) che è un parametro fondamentale per capire il livello dei rischi dell'ambiente spaziale per la microelettronica. Esso è anche un passo importante, al fine di calcolare il numero di SEUs.

In Figura è illustrato un esempio dell’uso dell’interfaccia SPENVIS degli spettri LET per descrivere l’ambiente spaziale ed un calcolo della presenza di SEU per una sonda su un’orbita geostazionaria durante il periodo 14-18 Luglio 2005. I seguenti casi sono considerati: raggi cosmici galattici (GCR; M = 1), livello dei raggi cosmici nel caso peggiore al 90% (M = 3), GCR e una componente singolarmente ionizzato anomala (M = 4), flusso ordinario del flare e la composizione media ( M = 5), flusso ordinario del flare e la composizione del caso peggiore (M = 6), flusso del caso peggiore del flare al 10% e la composizione media (M = 7) e flusso del caso peggiore del flare e la composizione del caso peggiore (M = 12).

Il monitoraggio e la previsione dei flussi di particelle utilizzando monitor di neutroni

I dati dei neutron monitors sono elementi chiave per il monitoraggio e la previsione delle radiazioni extraplanetary:

  • Possono fornire utili allarmi che vanno da alcuni minuti fino a decine di minuti prima dell'arrivo massiccio di particelle ad energie più basse – da decine a centinaia di MeV - nelle vicinanze della Terra, se una rete di stazioni diverse fornisce dati ad alta risoluzione in tempo reale .
  • I dati dei neutron monitors consentono il calcolo della radiazione particellare nell'ambiente spaziale e ad altitudini diverse all'interno l'atmosfera. Essi forniscono informazioni chiave sulle interazioni della radiazione cosmica galattica con i plasmi e i campi magnetici nell’ eliosfera che possono rivelare anche l'arrivo di perturbazioni interplanetarie. Contrariamente ai satelliti, il funzionamento dei monitors di neutroni non è influenzata da questi eventi.

Come il personale delle centrali nucleari o di lavoro con X-ray impianti negli ospedali, l'esposizione alle radiazioni di ciascun membro del personale aereo deve essere controllato (a partire dal 1996 una direttiva europea è stata trasferita nelle leggi nazionali). I neutron monitors forniscono i dati di base per il monitoraggio dei flussi di raggi cosmici incidenti, i quali vengono poi trasformati nel tasso di dose di radiazione utilizzando modelli empirici.