Qu’est-ce que le rayonnement cosmique – Rayon cosmique – Définition

Rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique fait référence aux sources de rayonnement sous forme de rayons cosmiques qui proviennent du Soleil ou de l’espace. La Terre a toujours été bombardée par des particules de haute énergie provenant de l’espace extra-atmosphérique qui génèrent des averses de particules secondaires dans la basse atmosphère. Les particules chargées (en particulier les protons de haute énergie) du soleil et de l’espace interagissent avec l’atmosphère et le champ magnétique de la Terre pour produire une pluie de radiations (c’est-à-dire une douche d’air), généralement des radiations bêta et gamma . Si vous vivez à des altitudes plus élevées ou si vous êtes un passager fréquent des compagnies aériennes, cette exposition peut être considérablement plus élevée, car l’atmosphère est plus mince ici. Les effets du champ magnétique terrestredétermine également la dose de rayonnement cosmique .

Au niveau du sol, les muons , dont les énergies se situent principalement entre 1 et 20 GeV, contribuent à environ 75% du débit de dose absorbé dans l’air libre. Le reste provient d’électrons produits par les muons ou présents dans la cascade électromagnétique. La dose annuelle de rayons cosmiques au niveau de la mer est d’environ 0,27 mSv (27 mrem).

Composition du rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique primaire est constitué d’un mélange de protons de haute énergie (~ 87%), de particules alpha (~ 11%), d’électrons de haute énergie (~ 1%) et d’une trace de noyaux plus lourds (~ 1%). L’énergie de ces particules se situe entre 10 ⁸ eV et 10 ²⁰ eV. Une très petite fraction est constituée de particules stables d’ antimatière , telles que des positons ou des antiprotons . La nature précise de cette fraction restante est un domaine de recherche active.

Par la suite, un grand nombre de particules secondaires , en particulier des neutrons et des pions chargés, sont produits à la suite des interactions entre les particules primaires et l’atmosphère terrestre. Comme les pions sont des particules subatomiques à courte durée de vie, la désintégration ultérieure des pions entraîne la production de muons de haute énergie . Au niveau du sol, les muons , dont les énergies se situent principalement entre 1 et 20 GeV, contribuent à environ 75% du débit de dose absorbé dans l’air libre. Le débit de dose du rayonnement cosmique varie dans différentes parties du monde et il dépend fortement du champ géomagnétique , de l’ altitude et du cycle solaire. Le débit de dose de rayonnement cosmique dans les avions est si élevé que, selon le rapport UNSCEAR 2000 des Nations Unies, les travailleurs des équipages de conduite aérienne reçoivent en moyenne plus de dose que tout autre travailleur, y compris ceux des centrales nucléaires.

Nous devons également inclure les neutrons au niveau du sol. Les rayons cosmiques interagissent avec les noyaux de l’atmosphère et produisent également des neutrons de haute énergie . Selon l’UNSCEAR, la fluidité des neutrons est de 0,0123 cm ^-2 s ^–1 au niveau de la mer pour une latitude géomagnétique de 45 N. Sur cette base, la dose annuelle effective des neutrons au niveau de la mer et à 50 degrés de latitude est estimée à 0,08 mSv (8 mrem). Il convient de noter qu’à proximité d’objets plus gros et plus lourds, par exemple des bâtiments ou des navires, le flux neutronique mesure plus haut. Cet effet est connu sous le nom de «signature neutronique induite par les rayons cosmiques» ou « effet navire».»Car il a été détecté pour la première fois avec des navires en mer. Les rayons cosmiques créent des douches dans l’atmosphère qui incluent un large spectre de neutrons secondaires, de muons et de protons. Les neutrons secondaires peuvent être d’une énergie très élevée et peuvent induire des événements de spallation dans les matériaux au niveau du sol. Par conséquent, à proximité d’objets plus gros et plus lourds, ces multiples neutrons produits lors d’événements de spallation sont appelés neutrons à «effet navire» .

Les neutrons produits dans la haute atmosphère sont également responsables de la production de carbone 14 radioactif, qui est le radionucléide cosmogénique le plus connu. Le carbone 14 est formé en continu dans la haute atmosphère par l’interaction des rayons cosmiques avec l’azote atmosphérique. En moyenne, seulement un sur 1,3 x 10 ¹²les atomes de carbone dans l’atmosphère est un atome de carbone 14 radioactif. En conséquence, toutes les substances biologiques vivantes contiennent la même quantité de C-14 par gramme de carbone, soit 0,3 Bq d’activité de carbone-14 par gramme de carbone. Tant que le système biologique est vivant, le niveau est constant en raison de l’apport constant de tous les isotopes de carbone. Lorsque le système biologique meurt, il arrête d’échanger du carbone avec son environnement, et à partir de là, la quantité de carbone 14 qu’il contient commence à diminuer à mesure que le carbone 14 subit une décroissance radioactive.

Énergie des rayons cosmiques

On a observé que les énergies des rayons cosmiques à ultra-haute énergie (UHECR) les plus énergétiques approchent de 3 x 10 ²⁰ eV, environ 40 millions de fois l’énergie des particules accélérée par le Grand collisionneur de hadrons. L’origine des particules de haute énergie vient de l’espace. On suppose que les particules d’une énergie allant jusqu’à environ 10 ¹⁵ eV proviennent de notre propre galaxie, tandis que celles dont les énergies sont les plus élevées ont probablement une origine extragalactique.

Classification du rayonnement cosmique

Le rayonnement cosmique peut être divisé en différents types selon son origine. Il existe trois principales sources de rayonnement:

• Rayonnement cosmique solaire . Le rayonnement cosmique solaire fait référence aux sources de rayonnement sous forme de particules de haute énergie (principalement des protons) émises par le soleil, principalement lors d’événements de particules solaires (SPE).
• Rayonnement cosmique galactique . Le rayonnement cosmique galactique, GCR, fait référence à des sources de rayonnement sous forme de particules de haute énergie provenant de l’extérieur du système solaire, mais généralement de l’intérieur de notre galaxie de la Voie lactée.
• Rayonnement des ceintures de rayonnement de la Terre (ceintures de van Allen ). Les ceintures de rayonnement de Van Allen sont des zones de particules de haute énergie (en particulier des protons) piégées par le champ magnétique terrestre.

Rayonnement cosmique galactique

Rayonnement cosmique galactique , GCR, fait référence aux sources de rayonnement sous forme de particules de haute énergie provenant de l’extérieur du système solaire. Les GCR sont des noyaux de haute énergie dont tous les électrons environnants ont été éliminés lors de leur passage à grande vitesse dans la galaxie. L’incident GCR sur la haute atmosphère est constitué d’une composante nucléonique, qui représente 98% du total (2% sont des électrons). Le composant nucléonique est alors constitué d’un mélange de protons de haute énergie (~ 86%), de particules alpha (~ 12%) et d’une trace de noyaux plus lourds (~ 1%). Les GCR sont piégés par le champ magnétique galactique, ils ont donc probablement été accélérés au cours des derniers millions d’années et ont voyagé à plusieurs reprises à travers la galaxie. Leur mécanisme d’accélération est incertain, mais l’un des mécanismes possibles est que les particules sont accélérées par des ondes de choc qui se propagent à partir des supernovas. L’énergie de ces particules varie entre 10⁸ eV et 10 ²⁰ eV. Une très petite fraction est constituée de particules stables d’antimatière, telles que des positons ou des antiprotons.

La nature précise de cette fraction restante est un domaine de recherche active. Le taux de fluence GCR varie avec l’activité solaire, étant plus faible lorsque l’activité solaire est plus élevée. Au minimum solaire, en raison de la baisse du blindage du champ magnétique solaire, la fluence est significativement plus élevée qu’au maximum solaire.

Rayonnement cosmique solaire – Événement de particules solaires

Le rayonnement cosmique solaire fait référence aux sources de rayonnement sous forme de particules de haute énergie (principalement des protons) émises par le Soleil , principalement lors d’événements de particules solaires (SPE). Le rayonnement solaire incident dans la haute atmosphère est principalement constitué de protons (99%), avec des énergies généralement inférieures à 100 MeV. Les événements de particules solaires, par exemple, se produisent lorsque les protons émis par le Soleil s’accélèrent près du Soleil lors d’une éruption ou dans l’espace interplanétaire par des chocs d’éjection de masse coronale. Notez que le Soleil a un cycle de 11 ans, ce qui aboutit à une augmentation spectaculaire du nombre et de l’intensité des éruptions solaires, en particulier pendant les périodes où il y a de nombreuses taches solaires.

Le rayonnement solaire est un risque de rayonnement important pour les vaisseaux spatiaux et les astronautes, il produit également des débits de dose importants à haute altitude, mais seul le rayonnement le plus énergétique contribue aux doses au niveau du sol. Notez que quiconque avait été à la surface de la Lune lors d’une éruption solaire particulièrement violente en 2005 aurait reçu une dose mortelle .

Rayonnement des ceintures de rayonnement de la Terre – ceintures de Van Allen

Les ceintures de rayonnement de Van Allen sont des zones de particules de haute énergie (en particulier des protons) piégées par le champ magnétique terrestre . La plupart de ces particules de haute énergie proviennent du vent solaire, qui ont été capturées et maintenues autour d’une planète par le champ magnétique terrestre. La ceinture de van Allen est formée comme un tore au-dessus de l’équateur. Il existe deux ceintures de rayonnement van Allen, une ceinture interne est centrée à environ 3 000 kilomètres et une ceinture externe est centrée à environ 22 000 kilomètres de la surface de la Terre. Il contient principalement des protons énergétiques dans la gamme 10-100 MeV.

Les engins spatiaux voyageant au-delà de l’orbite terrestre basse entrent dans la zone de rayonnement des ceintures de Van Allen. Au-delà des ceintures, ils sont confrontés à des risques supplémentaires dus aux rayons cosmiques et aux événements de particules solaires. Une région entre les ceintures intérieure et extérieure de Van Allen se situe entre deux et quatre rayons terrestres et est parfois appelée la «zone de sécurité».

Débit de dose dans l’avion – rayonnement en vol

L’exposition au rayonnement cosmique augmente rapidement avec l’altitude. En vol, il y a deux sources principales de rayonnement naturel à considérer: les rayons cosmiques galactiques qui sont toujours présents et les événements de protons solaires, parfois appelés événements de rayons cosmiques solaires (SCR), qui se produisent de façon sporadique. Le débit de dose du rayonnement cosmique varie dans différentes parties du monde et il dépend fortement du champ géomagnétique, de l’altitude et du cycle solaire. Le champ de rayonnement à l’altitude de l’avion est constitué de neutrons, de protons et de pions. En vol, les neutrons représentent 40 à 80% de la dose équivalente, en fonction du champ géomagnétique, de l’altitude et du cycle solaire. Le débit de dose de rayonnement cosmique dans les avions est si élevé (mais pas dangereux) que, selon le rapport UNSCEAR 2000 des Nations Unies, les travailleurs des équipages de conduite aérienne reçoivent en moyenne plus de doses que tout autre travailleur, y compris ceux des centrales nucléaires.

Le débit de dose au niveau du sol est en moyenne d’environ 0,10 μSv / h, mais à l’altitude de vol maximale (8,8 km ou 29 000 ft), il peut atteindre environ 2,0 μSv / h (voire des valeurs plus élevées). Un débit de dose de 4 μSv / h peut être utilisé pour représenter le débit de dose moyen pour tous les vols long-courriers (en raison des altitudes plus élevées). Il faut ajouter, pour les avions supersoniques comme le Concorde, qui pourraient effectuer un vol transatlantique en 3,5 heures, le taux d’exposition (environ 9 μSv / h ) à leur altitude de 18 km a été suffisamment augmenté pour aboutir à la même exposition aux rayons cosmiques par traversée comme pour les jets conventionnels qui filent à environ 8 km.

Blindage du rayonnement cosmique

Le champ magnétique terrestre fournit un bouclier de rayonnement vital du rayonnement cosmique. En plus d’une atmosphère protectrice, nous avons également de la chance que la Terre ait un champ magnétique. Le champ magnétique s’étend sur plusieurs dizaines de milliers de kilomètres dans l’espace, protégeant la Terre des particules chargées du vent solaire et des rayons cosmiques qui, autrement, dépouilleraient la haute atmosphère, y compris la couche d’ozone qui protège la Terre des rayonnements ultraviolets nocifs. Il nous protège des pleins effets du vent solaire et du GCR. Sans cette protection, la biosphère terrestre pourrait ne pas exister comme elle le fait aujourd’hui, ou serait au moins limitée à la subsurface. Le champ magnétique terrestre fournit également un bouclier de rayonnement pour les astronautes et l’ISS lui-même, car il est en orbite terrestre basse.

Les calculs de la perte de dioxyde de carbone de l’atmosphère de Mars, résultant du piégeage des ions par le vent solaire, indiquent que la dissipation du champ magnétique de Mars a provoqué une perte presque totale de son atmosphère.

Rayonnement cosmique – Est-ce dangereux?

Nous devons insister sur le fait que manger des bananes, travailler en tant qu’équipage de conduite ou vivre dans des endroits avec augmente votre débit de dose annuel. Mais cela ne signifie pas que cela doit être dangereux. Dans chaque cas, l’intensité du rayonnement est également importante. Il est très similaire à la chaleur d’un feu (moins de rayonnement énergétique). Si vous êtes trop près, l’intensité du rayonnement thermique est élevée et vous pouvez vous brûler. Si vous êtes à la bonne distance, vous pouvez y résister sans aucun problème et en plus c’est confortable. Si vous êtes trop loin d’une source de chaleur, l’insuffisance de chaleur peut également vous blesser. Cette analogie, dans un certain sens, peut être appliquée au rayonnement provenant également de sources de rayonnement.

En cas de rayonnement des rayons cosmiques , nous parlons de soi-disant «faibles doses» . Une faible dose signifie ici de petites doses supplémentaires comparables au rayonnement de fond normal ( 10 µSv = dose quotidienne moyenne reçue du fond naturel). Les doses sont très très faibles et donc la probabilité d’induction d’un cancer pourrait être presque négligeable. Deuxièmement, et c’est crucial, la vérité sur les effets sur la santé des rayonnements à faible dose reste à découvrir. On ne sait pas exactement si ces faibles doses de rayonnement sont nuisibles ou bénéfiques (et où est le seuil). Le gouvernement et les organismes de réglementation adoptent un modèle LNT au lieu d’un seuil ou d’une hormesienon pas parce que c’est la plus convaincante scientifiquement, mais parce que c’est l’ estimation la plus conservatrice . Le problème de ce modèle est qu’il néglige un certain nombre de processus biologiques de défense qui peuvent être cruciaux à faibles doses . Les recherches menées au cours des deux dernières décennies sont très intéressantes et montrent que de petites doses de rayonnement administrées à faible débit de dose stimulent les mécanismes de défense . Par conséquent, le modèle LNT n’est pas universellement accepté, certains proposant une relation dose-réponse adaptative où les faibles doses sont protectrices et les doses élevées sont préjudiciables. De nombreuses études ont contredit le modèle LNT et beaucoup d’entre elles ont montré une réponse adaptative aux rayonnements à faible dose entraînant une réduction des mutations et des cancers. Ce phénomène est connu sous le nom dehormesis de radiation .