O que é radiação cósmica – raio cósmico – definição

Radiação Cósmica

A radiação cósmica refere-se a fontes de radiação na forma de raios cósmicos que vêm do Sol ou do espaço sideral. A Terra sempre foi bombardeada por partículas de alta energia originadas no espaço sideral que geram chuveiros secundários na atmosfera mais baixa. Partículas carregadas (principalmente prótons de alta energia) do sol e do espaço exterior interagem com a atmosfera da Terra e o campo magnético para produzir um banho de radiação (isto é, chuveiro de ar), tipicamente radiação beta e gama . Se você mora em elevações mais altas ou é um passageiro frequente de uma companhia aérea, essa exposição pode ser significativamente maior, pois a atmosfera é mais fina aqui. Os efeitos do campo magnético da Terratambém determina a dose da radiação cósmica .

No nível do solo, os múons , com energias principalmente entre 1 e 20 GeV, contribuem com cerca de 75% da taxa de dose absorvida no ar livre. O restante vem de elétrons produzidos pelos múons ou presentes na cascata eletromagnética. A dose anual de raios cósmicos ao nível do mar é de cerca de 0,27 mSv (27 mrem).

Composição da radiação cósmica

A radiação cósmica primária consiste em uma mistura de prótons de alta energia (~ 87%), partículas alfa (~ 11%), elétrons de alta energia (~ 1%) e um traço de núcleos mais pesados ​​(~ 1%). A energia dessas partículas varia entre 10 ⁸ eV e 10 ²⁰ eV. Uma fração muito pequena são partículas estáveis ​​de antimatéria , como pósitrons ou antiprótons . A natureza precisa dessa fração restante é uma área de pesquisa ativa.

Posteriormente, um grande número de partículas secundárias , em particular, nêutrons e íons carregados, é produzido como resultado de interações entre partículas primárias e a atmosfera da Terra. Como os pions são partículas subatômicas de vida curta, a deterioração subsequente dos pions resulta na produção de múons de alta energia . No nível do solo, os múons , com energias principalmente entre 1 e 20 GeV, contribuem com cerca de 75% da taxa de dose absorvida no ar livre. A taxa de dose da radiação cósmica varia em diferentes partes do mundo e depende fortemente do campo geomagnético , altitude e ciclo solar. A taxa de dose de radiação cósmica nos aviões é tão alta que, de acordo com o Relatório das Nações Unidas UNSCEAR 2000, os trabalhadores das tripulações de aviões recebem mais doses, em média, do que qualquer outro trabalhador, incluindo os das usinas nucleares.

Também temos que incluir os nêutrons no nível do solo. Os raios cósmicos interagem com os núcleos da atmosfera e produzem também nêutrons de alta energia . De acordo com a UNSCEAR, a fluência de nêutrons é de 0,0123 cm ^-2 s ^–1 no nível do mar para uma latitude geomagnética de 45 N. Com base nisso, a dose anual efetiva de nêutrons no nível do mar e a 50 graus de latitude é estimada em 0,08 mSv (8 mrem). Vale ressaltar que, nas proximidades de objetos maiores e mais pesados, como edifícios ou navios, o fluxo de nêutrons mede mais alto. Esse efeito é conhecido como “assinatura de nêutrons induzida por raios cósmicos” ou “ efeito navio”Como foi detectado pela primeira vez com navios no mar. Os raios cósmicos criam chuvas na atmosfera que incluem um amplo espectro de nêutrons, múons e prótons secundários. Os nêutrons secundários podem ser de uma energia muito alta e podem induzir eventos de fragmentação em materiais ao nível do solo. Portanto, na vizinhança de objetos maiores e mais pesados, esses múltiplos nêutrons produzidos em eventos de fragmentação são chamados de nêutrons de “efeito navio” .

Os nêutrons produzidos na atmosfera superior também são responsáveis ​​pela geração de carbono radioativo-14, que é o radionuclídeo cosmogênico mais conhecido. O carbono-14 é formado continuamente na atmosfera superior pela interação dos raios cósmicos com o nitrogênio atmosférico. Em média, apenas um em cada 1,3 x 10 ¹²átomos de carbono na atmosfera é um átomo de carbono-14 radioativo. Como resultado, todas as substâncias biológicas vivas contêm a mesma quantidade de C-14 por grama de carbono, ou seja, 0,3 Bq de atividade do carbono-14 por grama de carbono. Enquanto o sistema biológico estiver vivo, o nível é constante devido à ingestão constante de todos os isótopos de carbono. Quando o sistema biológico morre, ele para de trocar carbono com o meio ambiente e, a partir desse momento, a quantidade de carbono-14 que ele contém começa a diminuir à medida que o carbono-14 sofre decaimento radioativo.

Energia dos Raios Cósmicos

Observou-se que as energias dos raios cósmicos mais energéticos de ultra alta energia (UHECRs) se aproximam de 3 x 10 ²⁰ eV, cerca de 40 milhões de vezes a energia das partículas aceleradas pelo Large Hadron Collider. A origem das partículas de alta energia é do espaço sideral. Supõe-se que partículas com uma energia de até 10 ¹⁵ eV sejam provenientes de nossa própria galáxia, enquanto aquelas com as energias mais altas provavelmente têm uma origem extragalática.

Classificação da radiação cósmica

A radiação cósmica pode ser dividida em diferentes tipos, de acordo com sua origem. Existem três fontes principais dessa radiação:

• Radiação Cósmica Solar . A radiação cósmica solar refere-se a fontes de radiação na forma de partículas de alta energia (predominantemente prótons) emitidas pelo sol, principalmente em eventos de partículas solares (SPEs).
• Radiação Cósmica Galáctica . A radiação cósmica galáctica, GCR, refere-se a fontes de radiação na forma de partículas de alta energia originárias fora do sistema solar, mas geralmente de dentro da nossa galáxia Via Láctea.
• Radiação dos cinturões de radiação da Terra (cinturões de van Allen ). As correias de radiação Van Allen são zonas de partículas de alta energia (especialmente prótons) presas pelo campo magnético da Terra.

Radiação Cósmica Galáctica

Radiação cósmica galáctica , GCR, refere-se a fontes de radiação na forma de partículas de alta energia originárias fora do sistema solar. GCR são núcleos de alta energia dos quais todos os elétrons ao redor foram arrancados durante sua passagem em alta velocidade pela galáxia. O incidente da GCR na atmosfera superior consiste em um componente nucleônico, que agrega responsáveis ​​por 98% do total (2% são elétrons). O componente nucleônico consiste então de uma mistura de prótons de alta energia (~ 86%), partículas alfa (~ 12%) e um traço de núcleos mais pesados ​​(~ 1%). Os GCR estão presos no campo magnético galáctico, portanto, provavelmente foram acelerados nos últimos milhões de anos e viajaram muitas vezes pela galáxia. O mecanismo de aceleração deles é incerto, mas um dos mecanismos possíveis é que as partículas sejam aceleradas por ondas de choque que se expandem das supernovas. A energia dessas partículas varia entre 10⁸ eV e 10 ²⁰ eV. Uma fração muito pequena são partículas estáveis ​​de antimatéria, como pósitrons ou antiprótons.

A natureza precisa dessa fração restante é uma área de pesquisa ativa. A taxa de fluência GCR varia com a atividade solar, sendo mais baixa quando a atividade solar é maior. No mínimo solar, devido à menor proteção do campo magnético solar, a fluência é significativamente maior do que no máximo solar.

Radiação Cósmica Solar – Evento de Partículas Solares

A radiação cósmica solar refere-se a fontes de radiação na forma de partículas de alta energia (predominantemente prótons) emitidas pelo Sol , principalmente em eventos de partículas solares (SPEs). O incidente de radiação solar na atmosfera superior consiste principalmente de prótons (99%), com energias geralmente abaixo de 100 MeV. Eventos de partículas solares, por exemplo, ocorrem quando os prótons emitidos pelo Sol se aceleram perto do Sol durante uma explosão ou no espaço interplanetário por choques de ejeção de massa coronal. Observe que o Sol tem um ciclo de 11 anos, que culmina em um aumento dramático no número e na intensidade das explosões solares, especialmente durante os períodos em que existem inúmeras manchas solares.

A radiação solar é um risco significativo de radiação para naves espaciais e astronautas, também produz taxas de dose significativas em grandes altitudes, mas apenas a radiação mais energética contribui para doses ao nível do solo. Observe que qualquer pessoa que estivesse na superfície da Lua durante uma erupção solar particularmente violenta em 2005 teria recebido uma dose letal .

Radiação dos cinturões de radiação da Terra – cinturões de Van Allen

As correias de radiação Van Allen são zonas de partículas de alta energia (especialmente prótons) presas pelo campo magnético da Terra . A maioria dessas partículas de alta energia se origina do vento solar, capturado e mantido em torno de um planeta pelo campo magnético da terra. O cinto de van Allen é formado como um toro acima do equador. Existem dois cinturões de radiação van Allen, um cinturão interno centralizado a cerca de 3.000 quilômetros e um cinturão externo centralizado a cerca de 22.000 quilômetros da superfície terrestre. Ele contém principalmente prótons energéticos na faixa de 10 a 100 MeV.

As naves espaciais que viajam além da órbita baixa da Terra entram na zona de radiação dos cinturões de Van Allen. Além dos cintos, eles enfrentam riscos adicionais de raios cósmicos e eventos de partículas solares. Uma região entre as correias interna e externa de Van Allen fica de dois a quatro raios terrestres e às vezes é chamada de “zona segura”.

Taxa de Dose no Avião – Radiação em Voo

A exposição à radiação cósmica aumenta rapidamente com a altitude. Em vôo, há duas fontes principais de radiação natural a serem consideradas: os Raios Cósmicos Galácticos, sempre presentes, e os Eventos de Próton Solar, às vezes chamados de eventos do Raio Cósmico Solar (SCR), que ocorrem esporadicamente. A taxa de dose da radiação cósmica varia em diferentes partes do mundo e depende fortemente do campo geomagnético, altitude e ciclo solar. O campo de radiação nas altitudes das aeronaves consiste em nêutrons, prótons e pions. Em vôo, os nêutrons contribuem com 40 – 80% da dose equivalente, dependendo do campo geomagnético, altitude e ciclo solar. A taxa de dose de radiação cósmica nos aviões é tão alta (mas não perigosa) que, de acordo com o Relatório das Nações Unidas UNSCEAR 2000, os funcionários das equipes de aviação recebem mais dose, em média, do que qualquer outro trabalhador, inclusive os das usinas nucleares.

A taxa de dose no nível do solo é, em média, de 0,10 μSv / h, mas na altitude máxima de vôo (8,8 km ou 29.000 pés), pode atingir cerca de 2,0 μSv / h (ou valores ainda mais altos). Uma taxa de dose de 4 μSv / h pode ser usada para representar a taxa média de dose para todos os voos de longo curso (devido a maiores altitudes). Deve-se acrescentar que, para aviões supersônicos como o Concorde, que poderiam realizar um vôo transatlântico em 3,5 horas, a taxa de exposição (cerca de 9 μSv / h ) na altitude de 18 km foi aumentada o suficiente para resultar na mesma exposição a raios cósmicos por cruzando como nos jatos convencionais, rodando cerca de 8 km.

Blindagem de radiação cósmica

O campo magnético da Terra fornece um escudo de radiação vital da radiação cósmica. Além de uma atmosfera protetora, também temos sorte de a Terra ter um campo magnético. O campo magnético se estende a dezenas de milhares de quilômetros no espaço, protegendo a Terra das partículas carregadas do vento solar e dos raios cósmicos que, de outra forma, removeriam a atmosfera superior, incluindo a camada de ozônio que protege a Terra da radiação ultravioleta prejudicial. Ele nos protege dos efeitos totais do vento solar e da GCR. Sem essa proteção, a biosfera da Terra pode não existir como existe hoje, ou seria pelo menos limitada à subsuperfície. O campo magnético da Terra também fornece um escudo de radiação para os astronautas e a própria ISS, porque está em baixa órbita da Terra.

Cálculos da perda de dióxido de carbono da atmosfera de Marte, resultante da eliminação de íons pelo vento solar, indicam que a dissipação do campo magnético de Marte causou uma perda quase total de sua atmosfera.

Radiação Cósmica – É perigoso?

Devemos enfatizar que comer bananas, trabalhar como tripulação de voo de uma companhia aérea ou morar em locais com isso aumenta sua taxa de dose anual. Mas isso não significa que deve ser perigoso. Em cada caso, a intensidade da radiação também é importante. É muito semelhante ao calor de um incêndio (menos radiação energética). Se você estiver muito próximo, a intensidade da radiação de calor é alta e você pode se queimar. Se você estiver na distância certa, você pode suportar sem problemas e, além disso, é confortável. Se você estiver muito longe da fonte de calor, a insuficiência de calor também poderá prejudicá-lo. Essa analogia, em certo sentido, pode ser aplicada à radiação também de fontes de radiação.

No caso de radiação dos raios cósmicos , estamos falando das chamadas “doses baixas” . Dose baixa aqui significa doses pequenas adicionais comparáveis ​​à radiação normal de fundo ( 10 µSv = dose diária média recebida de fundo natural). As doses são muito baixas e, portanto, a probabilidade de indução de câncer pode ser quase insignificante. Em segundo lugar, e isso é crucial, a verdade sobre os efeitos na saúde de baixa dose de radiação ainda precisa ser encontrada. Não se sabe exatamente se essas baixas doses de radiação são prejudiciais ou benéficas (e onde está o limiar). Órgãos governamentais e reguladores assumem um modelo LNT em vez de um limite ou hormesisnão porque é a mais cientificamente convincente, mas porque é a estimativa mais conservadora . O problema desse modelo é que ele negligencia uma série de processos biológicos de defesa que podem ser cruciais em baixas doses . A pesquisa nas últimas duas décadas é muito interessante e mostra que pequenas doses de radiação administradas em uma taxa de dose baixa estimulam os mecanismos de defesa . Portanto, o modelo LNT não é universalmente aceito, com alguns propondo uma relação dose-resposta adaptativa, em que baixas doses são protetoras e altas são prejudiciais. Muitos estudos contradizem o modelo LNT e muitos deles mostraram resposta adaptativa a baixas doses de radiação, resultando em mutações e cânceres reduzidos. Esse fenômeno é conhecido comohormesis de radiação .