Какие части Марса наиболее безопасны с точки зрения космической радиации?
AstroNews.ru - 04 Мая 2022 11:52:28
В ближайшее десятилетие НАСА и Китай планируют отправить первые экипажи на Марс. Оба агентства отправят космические аппараты в 2033, 2035, 2037 годах, а затем каждые 26 месяцев, чтобы совпасть с оппозицией Марса (т.е. когда Земля и Марс находятся на самых близких орбитах). Долгосрочной целью этих программ является создание базы на Марсе, которая будет служить центром для размещения будущих миссий, хотя китайцы заявили, что они намерены сделать свою базу постоянной.
Перспектива отправки астронавтов в шести-девятимесячное путешествие на Марс сопряжена с рядом трудностей, не говоря уже об опасностях, с которыми они столкнутся при проведении научных операций на поверхности. В недавнем исследовании международная группа ученых провела исследование марсианской среды - от вершин горы Олимп до ее подземных недр - с целью выявления мест с самым низким уровнем радиации. Полученные результаты могут помочь будущим миссиям на Марсе и созданию марсианской среды обитания.
Группу возглавлял Цзянь Чжан, доцент Школы наук о Земле и космосе (ESS) Китайского университета науки и технологий. К нему присоединились коллеги из ESS и Центра сравнительной планетологии CAS в Китае, Института экспериментальной и прикладной физики (IEAP) в Киле, Германия, Института биомедицинских проблем РАН и Института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (ИЯФ) в Москве. Статья, описывающая их результаты, недавно появилась в журнале «Геофизические исследования: Планеты».
Когда речь идет о миссиях на Марс и другие места за пределами низкой околоземной орбиты (НОО), радиация всегда остается актуальной проблемой. По сравнению с Землей, Марс имеет непрочную атмосферу (менее 1% атмосферного давления), и на нем нет защитной магнитосферы, которая ограждала бы поверхность от солнечного и космического излучения. В результате ученые предполагают, что вредные частицы, особенно галактические космические лучи (ГКЛ), могут распространяться и взаимодействовать непосредственно с атмосферой и даже достигать недр Марса.
Однако уровень радиационного воздействия зависит от толщины атмосферы, которая меняется в зависимости от высоты над уровнем моря. В таких низменных областях, как знаменитая система каньонов Марса (Valles Marineris) и его крупнейший кратер (Hellas Planitia), атмосферное давление оценивается более чем в 1,2 и 1,24 кПа соответственно. Это примерно в два раза выше среднего значения в 0,636 кПа и в 10 раз выше атмосферного давления в таких высокогорных местах, как гора Олимп (Olympus Mons - самая большая гора в Солнечной системе).
Доктор Цзиннань Гуо, профессор IEAP в Университете Кристиан-Альбрехтс и член Китайской академии наук (CAS), была научным руководителем профессора Цзянь Чжана и соавтором статьи.
"Разная высота над уровнем моря означает разную толщину атмосферы. Высокогорные места, как правило, имеют более тонкую атмосферу сверху. Излучение высокоэнергетических частиц должно пройти через атмосферу, чтобы достичь поверхности Марса. Если толщина атмосферы меняется, то может измениться и излучение на поверхности. Таким образом, высота над уровнем моря может влиять на поверхностное излучение Марса".
С этой целью команда рассмотрела влияние глубины атмосферы на уровень марсианской радиации. Оно включало поглощенную дозу, измеряемую в радианах; эквивалент дозы, измеряемый в ремах и зивертах (Зв); и мощность эффективной дозы на теле, индуцированной ГКЛ. Процесс заключался в моделировании радиационной среды с помощью современного симулятора на основе программного обеспечения GEometry And Tracking (GEANT4), разработанного ЦЕРН.
Известное как Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS), это программное обеспечение использует вероятностные алгоритмы Монте-Карло для моделирования взаимодействия частиц с марсианской атмосферой и местностью.
Мы используем подход Монте-Карло под названием "GEANT4" для моделирования переноса и взаимодействия энергичных частиц с марсианской атмосферой и реголитом. Марсианская среда задается с учетом состава и структуры атмосферы Марса и свойств реголита.
"Входные спектры частиц на вершине атмосферы Марса получены из моделей, которые описывают вездесущую радиационную среду частиц в межпланетном пространстве, включающую заряженные частицы различных видов, которые в основном состоят из протонов (~87%), ионов гелия (12%), а также небольших следов более тяжелых ионов, таких как углерод, кислород и железо".
Они обнаружили, что более высокое поверхностное давление может эффективно снизить количество излучения тяжелых ионов (GCR), но дополнительное экранирование все же необходимо. К сожалению, наличие такой защиты может привести к "ливням космических лучей", когда удар ГКЛ о защитную оболочку создает вторичные частицы, которые могут наполнить внутреннее пространство среды обитания различными уровнями нейтронного излучения (так называемый поток нейтронов). Это может внести значительный вклад в дозу радиации, которую получат астронавты.
Они определили, что и поток нейтронов, и эффективная доза достигают пика на глубине около 30 см под поверхностью. К счастью, эти результаты позволяют найти решение проблемы использования марсианского реголита для экранирования. Доктор Го сказала:
"Для заданного порога годовой биологически взвешенной дозы радиации, например, 100 мЗв (величина, которую часто считают порогом, ниже которого риск развития рака, вызванного радиацией, пренебрежимо мал), необходимая глубина реголита колеблется между 1 и 1,6 м. В этом диапазоне, в глубоком кратере, необходимая дополнительная защита реголита нужна немного меньше. В то время как на вершине горы Олимп необходимая дополнительная защита из реголита больше".
Исходя из полученных результатов, лучшие места для будущих мест обитания на Марсе будут расположены в низменных районах и на глубине от 1 до 1,6 м под поверхностью. Поэтому Северная низменность, составляющая большую часть северного полушария (она же Vastitas Borealis), и Valles Marineris будут очень подходящими местами. В дополнение к более высокому атмосферному давлению, в этих регионах также имеется большое количество водяного льда прямо под поверхностью.
Если все пойдет по плану, астронавты ступят на марсианскую поверхность чуть более чем через десять лет. Это будут перелеты продолжительностью от шести до девяти месяцев (если не будет разработана более совершенная двигательная технология) и работа на поверхности до 18 месяцев. Короче говоря, астронавтам придется бороться с угрозой повышенной радиации в течение трех лет. Поэтому необходимо заблаговременно разработать подробные стратегии по снижению воздействия радиации.
NASA и другие космические агентства потратили много времени, энергии и ресурсов на разработку проектов среды обитания, которые используют 3D-печать, использование ресурсов на месте (ISRU) и даже электромагнитное экранирование для обеспечения здоровья и безопасности астронавтов. Однако до сих пор остаются нерешенными вопросы о том, насколько эффективными будут эти стратегии на практике, особенно если учесть, сколько времени экипажи будут проводить на марсианской поверхности.
"Наше исследование может послужить снижению радиационных рисков при проектировании будущих марсианских сред обитания с использованием природного материала поверхности в качестве защитного экрана", - сказал доктор Го. "Исследование, подобное этому, будет иметь большое значение, когда планировщики миссий начнут рассматривать проекты будущих марсианских сред обитания, в которых для защиты от радиации будет использоваться природный материал на поверхности".