大气层粒子辐射

大气层粒子辐射

大气层内，除太阳电磁辐射外，还有粒子辐射。飞机飞行高度范围可能遇到的粒子辐射，主要来自“银河宇宙线”和“太阳宇宙线”。前者比较恒定，通常所谓“宇宙线”即指这一部分而言； 后者是太阳出现耀斑时向空间喷射而进入大气层的大量粒子流，其量不恒定。
银河宇宙线是从银河系各个方向来的高能带电粒子流。在未进入大气层之前，或在大气层顶部尚未与大气中的原子核发生相互作用之前，射线保持本来面目，称“初级银河宇宙线”。初级宇宙线深入大气层与大气中的原子核相互作用即产生性质不同的新的射线束，称“次级宇宙线”。在较低高度或地面所测到的主要是次级射线。初级银河宇宙线的成分是：质子(约占88%),α粒子(约10%)，电子与光子(约1%)和重核(约1%)。粒子的能量一般是从0.1至1010BeV（千兆电子伏）。在50km以上的高度，由于空气稀薄，宇宙线的强度，即单位时间内通过单位面积的宇宙线粒子数，基本不变。由此进入大气层深部，随着大气密度的增加，射入的高能粒子一方面可引起大气的分子或原子电离； 另一方面又不断与大气的原子核发生碰撞，引起核反应，产生许多新粒子，后者又可同初级粒子一起继续撞击其他大气原子核而产生更多的新粒子。上述过程反复进行，因而进入大气层的高能初级粒子可“增殖”出大量次级粒子，形成在一定高度宇宙线的强度反而比大气层顶部还要强的现象。次级宇宙线中含有两种成分： 穿透力小的“软成分”和穿透力强的“硬成分”。软成分由高能电子、正电子和光子组成。硬成分由质子和不同种类的介子等组成。大气层内银河宇宙线强度在空间的分布主要取决于下述因素：
❶高度效应。已测出160～50km处，射线强度基本不变；50km以下，由于大量形成次级射线粒子，故强度越来越大，在20km处达到最大值，自此以下急剧减弱，至地面减至最小值。
❷纬度效应。由于地球磁场对初级宇宙线有偏转作用，故赤道上空宇宙线最弱(因此处粒子运动的方向与磁力线近于垂直，受偏转最大)；两极地区上空最强(因粒子运动方向与磁力线几乎平行，很少发生偏转)。
❸太阳活动周期的影响。在太阳活动最大年，由于太阳磁场最强，故宇宙线强度减弱；在太阳活动最小年，宇宙线强度增加。如在20km高度，太阳活动最小年的宇宙线剂量率约为太阳活动最大年的两倍。总之，在飞机巡航高度，乘员可能受到的辐射剂量中，大部分来源于次级银河宇宙线。太阳宇宙线是从太阳表面喷射出来的高能带电粒子流，常在日面出现特大的耀斑时发生。所谓“耀斑”，也称“色球爆发”，是指日面（或边缘）上局部区域亮度突然增强的现象，可持续几分钟至几小时。它表明日面一个较小的局部突然释出大量能量。一般在耀斑发生后1小时左右，粒子流即可到达地球附近。因喷射到达地球的粒子约90%以上是质子，故太阳突然喷射大量质子的现象又称“太阳质子事件”，其发生频次取决于太阳活动周期(平均11.04年)。在太阳活动剧烈的年分，事件的出现也是随机的，而且各次事件的规模（喷射质子数量的多少）、持续时间和能谱等也有很大差异。由于太阳质子事件的无规律性和持续时间短暂，故目前尚难精确预报其在飞机巡航高度上的强度变化。而有关太阳质子事件时期飞机巡航高度剂量率的数据，也大都系通过计算得来。虽然太阳初级宇宙线粒子的能量一般都比银河宇宙线低许多倍，但这种初级宇宙线与大气中的原子核碰撞能产生次级中子，其穿透力比质子本身强。在比较低的大气层中，中子部分的剂量当量在总剂量当量中已占有较高比例；而且愈往下，比例愈高，在15km高度附近，中子的剂量当量已占绝大部分。还须指出，虽然特大太阳质子事件的质子瞬时最大强度有时可超过正常银河宇宙线三至四个数量级，但在一个太阳活动周期中，出现这种特大事件的概率较低，因此太阳宇宙线的平均剂量仍然低于银河宇宙线。

不同纬度地区上空，银河宇宙线辐射剂量率随高度变化的情况

宇宙线的生物学效应首先与为生物组织所吸收能量的多少有密切关系。生物组织吸收能量的多少可用吸收剂量表示，专用单位是“拉德”(rad)，其定义为：凡每克物质（包括生物组织）吸收射线的能量为100尔格(erg)时，其吸收剂量即为1rad。当吸收剂量一定时，生物效应还与辐射的类型、能量和辐照条件等因素有关。为了将吸收剂量与生物效应的程度更好地联系起来，还必须引入适当的修正因子。经过修正的吸收剂量称“剂量当量”。其定义为： 剂量当量H是吸收剂量D与品质因子Q及其他修正因子N的乘积，即H=DQN，专用单位为“雷姆”(rem，人体伦琴当量)。
国际辐射防护委员会(ICRP)1967年所规定的最大容许剂量为：从事辐射职业的工作人员，5000mrem/年；一般人员，500mrem/年。下表给出飞机在不同纬度、高度、分别以不同速度飞行16000km航程时所受到的银河宇宙线剂量当量值。表中数据说明，在飞机飞行高度，人体所受到的银河宇宙线的剂量当量是比较低的，而且随着巡航高度的升高和飞行速度的加大，总的暴露剂量反而下降。据报道，乘协和式超音速客机(航行高度为15～18km)往返于巴黎与华盛顿之间（属于高纬度地区），一般旅客若按每月往返一次计算，累积剂量率一年不超过150mrem；机组人员，若按每人每年飞行500小时计算，累积剂量率为一年1250mrem。美国联邦航空局(FAA)和国家航空航天局(NASA)曾联合对1973年的299万次国内民航飞行时的暴露剂量进行了测量，结果是：平均飞行高度为9.47km，旅客的平均剂量率为2.82mrem/年，机组人员的平均剂量率为160mrem/年。以上表明：在超音速民航客机和亚音速民航客机的航行高度，机组人员和旅客在航行过程中所接受到的银河宇宙线剂量，均未超过国际辐射防护委员会规定的最大容许剂量标准。

在不同纬度、高度和速度条件下航行16000km的辐射暴露剂量 (mrem/16000km航程)

飞 行 条 件	高度(km) 大气深度(g/cm2) 速度(km/h)		25.5 20 1800	15～16.5 100 1200	10～12 200 600
太最 阳小 活年 动	地 区 纬 度	75 40 10	8.8 3.5 1.1	11.5 6.6 2.3	12.8 8.7 3.6
太最 阳大 活年 动	地 区 纬 度	75 40 10	4.6 2.7 0.9	7.1 4.4 2.1	8.9 7.4 3.4

虽然在太阳活动周期中出现特大太阳质子事件的概率较低，但这种事件却能使飞机飞行高度的宇宙线辐射强度短时间内有极大的增强，如在超音速客机飞行高度，剂量率可达2～3rem/h。因飞机不可能采用过重的屏蔽材料进行防护，故主要的防护措施是做好有关太阳质子事件的预报工作。预报方法主要有三：
❶从地面对太阳进行观测，主要是通过分布于世界各地的太阳无线电观测站和光学观测站进行。
❷通过人造卫星进行观测，如美国的“轨道地球物理观测”卫星、“先驱者”卫星和“维拉”卫星等，卫星上装有高能粒子探测仪，可以近乎实时地收集太阳活动的数据。
❸机载宇宙辐射预警装置，可以探测出所有能量直到10¹⁰MeV的电离辐射及12MeV的中子辐射、电离辐射的品质因子为1.5。该装置由两部分组成： 探测仪，安装在飞机机舱内；显示仪，安装在飞行机械师的仪表板上，可显示“预警”和“行动”信号，分别以黄、红灯表示。“预警”范围，10～100mrem/h；“行动”水平，100mrem/h。当辐射水平达到100mrem/h时，除红灯亮外，还发出警报声响。对于超音速客机来说，最主要的预报手段是机载宇宙辐射预警装置。一旦出现特大的太阳质子事件，辐射剂量达到“行动”水平时，飞机应立即降低飞行高度，以保证机内人员的安全(关于粒子辐射的危害见“空间粒子辐射”)。

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