| Радиационный фонIonizing radiation background Радиационный фон – радиоактивное излучение, присутствующее на Земле от естественных и техногенных
источников, в условиях которого постоянно находится человек.
Облучение может быть внешним и внутренним. Внешнее
облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое
излучение, наземные источники). Внутреннее облучение осуществляют радионуклиды,
находящиеся в теле человека. За счёт космического излучения большинство
населения получает дозу 35 мбэр в год (1 мбэр = 10-3 бэр). Такую же дозу (35 мбэр/год) человек получает от внешних земных источников
естественного происхождения. Доза внутреннего облучения от естественных
источников составляет в среднем 135 мбэр/год (3/4 этой дозы даёт не имеющий
вкуса и запаха тяжёлый радиоактивный газ радон и продукты его распада).
Подробнее
|
Чармоний
Избежать радиоактивного
облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях постоянного
облучения. Радиационный фон Земли складывается из следующих компонентов:
Таким образом, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения человека
от естественных источников радиации в среднем равна около 200 мбэр/год.
5Пониженный радиационный фон не влияет на сложные организмы
Молекулярно-генетические исследования в Баксанской нейтринной обсерватории позволяют по-новому взглянуть на воздействие ультранизких доз радиации
Впервые в России в условиях уникальной подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН проведены биологические исследования по оценке влияния пониженного радиационного фона на сложные модельные организмы. В качестве модели был использован классический объект генетических исследований – плодовая мушка Drosophila melanogaster.
Проведенный эксперимент показал отсутствие влияния пониженного радиационного фона на этот модельный организм.
Здание Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН у подножия горы Андырчи в поселке Нейтрино. Фото Михаила Зарубина
В начале августа 2021 года в журнале PLoS ONE вышла совместная статья ученых международной научной организации Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН, Москва), посвященная первым в России биологическим исследованиям в условиях уникальной подземной низкофоновой лаборатории DULB-4900 БНО ИЯИ РАН. Задачей ученых было выяснить, как снижение радиационного фона влияет на сложные модельные организмы. Интерес к этой задаче связан с тем, что в научной литературе можно найти утверждения как о положительном, так и об отрицательном влиянии пониженного радиационного фона. До сих пор эти выводы основывались на анализе отдельных признаков или генов, что приводило к противоречивым результатам.
Чтобы получить объективную картину, ученые ОИЯИ и БНО ИЯИ РАН оценили методом РНК-секвенирования, как изменилась активность всех 15682 генов плодовых мушек D. melanogaster, которые прошли полный цикл развития от эмбриона до взрослого организма в подземной лаборатории в условиях низкого радиационного фона. Иной газовый состав атмосферы, наличие в воздухе микрочастиц, недостаток освещения и другие подобные явления — организм реагирует на них изменением активности генов, которое можно надежно обнаружить современными молекулярно-генетическими методами. Для контроля вторая партия плодовых мушек прожила свой полный жизненный цикл в условиях естественного уровня радиации при тех же условиях освещения, температуры и давления, как и в подземной лаборатории. Ученые также фиксировали изменение активности их генов.
Сотрудники Сектора молекулярной генетики клетки ЛЯП ОИЯИ в неиспользуемой части тоннеля Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Фото Михаила Зарубина
«Результаты экспериментов с плодовыми мушками дают материал для построения гипотез, касющихся человека, — говорит Елена Владимировна Кравченко, к.
б. н., начальник Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова ОИЯИ. — Генотипы человека и плодовой мушки имеют на 60 % общее происхождение (гомологичны). 75% генов, ответственных за развитие заболеваний у человека, сходны с генами дрозофил».
Начальник Сектора молекулярной генетики Лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова ОИЯИ Елена Владимировна Кравченко анализирует культуру клеток. Фото Игоря Лапенко
«Баксанская нейтринная обсерватория — уникальное сооружение, скрытое под горой Андырчи на глубине почти четырех километров, — рассказывает молодой ученый Михаил Зарубин (ЛЯП ОИЯИ) из группы Е. В. Кравченко. — Чтобы попасть в низкофоновую лабораторию, мы каждое утро на вагонетке по тоннелю проделывали путь больше трех километров в кромешной тьме. На месте нас встречали не воинственные гномы или тролли, а приветливые научные сотрудники Института ядерных исследований. Незабываемое впечатление!».
Сотрудник Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем имени В.
П. Джелепова ОИЯИ Михаил Зарубин выполняет этап пробоподготовки для транскриптомного анализа. Фото Игоря Лапенко
Результатом эксперимента стало обнаружение изменения активности лишь в 76 из 15682 генов. Детальный анализ этих 76 генов показал, что изменение их активности не связано с радиацией, а скорее всего, вызвано отсутствием в подземной лаборатории естественных внешних стимулов: природных запахов, звуков и вибраций. Это наблюдение важно в связи с недостатком данных о таком виде стресса. Результатом эксперимента, проведенного в подземной лаборатории, стал вывод о том, что снижение радиационного фона не оказывает существенного влияния на организм: ни положительного, ни отрицательного.
«Полученные результаты говорят о том, что в области ультранизких доз существует порог воздействия, ниже которого радиация не оказывает значимого влияния на работу организма. Это важно и при оценке радиационных рисков для здоровья, и при моделировании воздействия различных доз ионизирующего излучения на живые организмы», — говорит Е.
В. Кравченко.
«Использование научной инфраструктуры, созданной для фундаментальных исследований в области физики нейтрино и астрофизики, открывает принципиально новые возможности для междисциплинарных исследований, — подчеркивает Альберт Мусаевич Гангапшев, к. ф.-м. н., заместитель заведующего по научной работе БНО ИЯИ РАН. — Эксперимент, проведенный совместно сотрудниками ОИЯИ и ИЯИ РАН, позволил разрешить проблему, обсуждавшуюся биологами в течение десятка лет. Я считаю, это замечательный результат!».
Сотрудник Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН Юрий Михайлович Гаврилюк производит измерения радиационного фона в подземной низкофоновой лаборатории DULB-4900. Фото Михаила Зарубина
Коллектив авторов: Юрий Гаврилюк (БНО ИЯИ РАН),
Альберт Гангапшев (БНО ИЯИ РАН), Михаил Зарубин (ЛЯП ОИЯИ),
Владимир Казалов (БНО ИЯИ РАН), Елена Кравченко (ЛЯП ОИЯИ)
3.3.1. Радиационный фон — природный и техногенный
Вся наша планета, в том числе и вся живая природа, населяющая ее, постоянно подвергаются воздействию так называемого естественного (природного) и техногенного радиационного фона, что обусловлено явлением радиоактивности.
Установлено, что радиационный фон Земли формируется под воздействием трех основных компонентов: космического излучения; излучения рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах нашей среды природных радионуклидов; излучения искусственных (техногенных) радионуклидов.
Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Космическая радиация складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном α -частицы, протоны и электроны. Это так называемое первичное космическое излучение, которое, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождает вторичное излучение. В результате на уровне моря излучение состоит почти полностью из мюонов (подавляющая часть) и нейронов. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях.
Причина этого – магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Наибольший эффект ослабления действия космического внешнего облучения связан с зависимостью космического излучения от высоты: чем толще слой воздуха, тем защитные свойства атмосферы выше. Поглощенная мощность дозы космического излучения в воздухе на уровне моря равна 32 нГр/ч и формируется в основном мюонами. Для нейтронов на уровне моря мощность поглощенной дозы составляет 0,8 нГр/ч. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу (ЭЭД) около 300 мкЗв/год; для тех же, кто находится на высоте более 2000 м над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. На высоте 8 км мощность ЭЭД составляет 2 мкЗв/ч, что приводит к дополнительному облучению при авиационных перелетах. Коллективная эффективная доза от глобальных авиационных перевозок достигает 10 4 чел.-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв за год. В целом за счет космического излучения большинство населения получает дозу около 350 мкЗв / год.
В результате ядерных реакций, происходящих в атмосфере (а частично и в литосфере) под влиянием космических лучей, могут образовываться космогенные радионуклиды. Например:
n + 14N → 3H + 12C, p + 14N → n + 14C.
В формирование дозы наибольший вклад вносят3H, 7Be, 14C и 22Na, которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл. 3.2).
Таблица 3.2 Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека
|
Радионуклид |
Поступление, Бк/год |
Годовая эффективная доза, мкЗв |
|
3H |
250 |
0,004 |
|
7Ве |
50 |
0,002 |
|
14C |
20000 |
12 |
|
22Na |
50 |
0,15 |
По имеющимся оценкам, взрослый человек потребляет с пищей около 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг, что в пересчете на суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.
Природный радиационный фон формируется главным образом за счет рассеянных в земной коре, воздухе и воде природных радионуклидов и космического излучения. В большинстве стран радиационный природный фон в среднем варьирует в диапазоне 8–9 мкР/ч, иногда превышая средние величины на 10–20 мкР/ч. Этот разброс значений от всех природных источников ионизирующего излучения обуславливает формирование годовой ЭЭД облучения в 2000–2500 мкЗв/год. При этом величина природного радиационного фона в большинстве районов была относительно постоянна на протяжении многих тысяч, а иногда и миллионов лет.
Однако на планете также существуют районы с относительно высоким уровнем радиационного фона, где его величина отличается от средней в 100–200 и даже более чем в 1000 раз. Например, штат Керала в Индии, отдельные участки Украинского кристаллического щита и др. Эти районы, как правило, характеризуются либо неглубоким залеганием урановых или ториевых руд, либо являются зонами выхода на поверхность водных радоновых источников.
Над поверхностью морей и океанов средний радиационный фон уменьшается более чем вдвое по сравнению с поверхностью суши за счет экранирующих свойств слоя воды.
В организме человека постоянно присутствуют природные радионуклиды, изначально содержащиеся в земной коре, воздухе и воде и поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40К, 87Rb и нуклиды рядов распада 28U и 22Th (табл. 3.3).
Средняя доза внутреннего облучения за счет этих природных радионуклидов составляет около 1,35 мЗв/год. Наибольший вклад в формирование естественного фона облучения наземных живых организмов (до 30–60%) дает не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и продукты его распада. В организм человека он поступает при дыхании и вызывает облучение слизистых тканей легких. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в приземном слое воздуха существенно различается в различных точках земного шара.
Таблица 3.3 Вклад в формирование среднегодовой эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения некоторых природных радионуклидов
|
Радионуклид (тип излучения) |
Период полураспада |
Среднегодовая ЭЭД, мкЗв |
|
40К (g) |
1,4·109 лет |
180 |
|
87Rb (g) |
4,8·1010 лет |
6 |
|
210Po (a) |
160 сут. |
130 |
|
220Rn (a) |
54 с |
170–220 |
|
222Rn (a) |
3,8 сут. |
800–1000 |
|
226Ra (a) |
1600 лет |
13 |
Если человек находится в помещении, его доза внешнего облучения изменяется под действием двух противоположно действующих факторов: экранирования внешнего излучения зданием; облучения за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которых построено здание.
В зависимости от концентрации изотопов 4 0 К, 22 6 Ra и 2 2 Th в различных строительных материалах мощность дозы в помещениях изменяется от 4·10 — 8 до 12·10 — 8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2–3 раза выше, чем в деревянных. Доля домов, внутри которых концентрация радона и продуктов его распада варьируется от 10 3 до 10 4 Бк/см 3, составляет от 0,01 до 0,1% в различных странах. Это означает, что значительное число людей подвергаются заметному облучению из-за высокой концентрации радона внутри домов, где они живут.
Техногенное излучение. Начиная с 50-х годов ХХ в. радиационный фон заметно повысился из-за воздействия множества техногенных источников радиоактивности (в среднем до 10–15 мкР/ч). Эту прибавку обусловили:
- испытания и применение ядерного оружия;
- выделение радионуклидов при сгорании органического топлива;
- перераспределение извлекаемых из недр минералов, содержащих радиоактивные вещества;
- выбросы и сбросы АЭС и предприятий ядерно-топливного цикла, в том числе при авариях;
- техногенные источники проникающей радиации (энергетические и исследовательские ядерные установки, медицинская диагностическая и терапевтическая рентгеновская аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации и т.
п.).
п.).В настоящее время известны свыше 900 радионуклидов, полученных искусственным путем в результате различных ядерных реакций. Например, при ядерных взрывах и в управляемой цепной реакции деления образуются около 250 различных изотопов (из них 225 радиоактивных), являющихся продуктами деления ядер тяжелых элементов.
Кроме того, при делении ядер возникают трансурановые радионуклиды, образующиеся при последовательном поглощении нейтронов тяжелыми ядрами без их деления. К таким радионуклидам относятся изотопы плутония, америция и др., которые являются α -излучателями.
К искусственным радионуклидам с особо высокой токсичностью относятся 21 Pb, 226 Ra, 227 Ac, 228 , 230, 232 Th. Группа радионуклидов с высокой радиотоксичностью включает 90 Sr, 106 Ru, 131 I, 144 Се и др. К группе радионуклидов, обладающих средней радиотоксичностью, относятся 22 Na, 89 Sr, 137 Cs, 59 Fe, 65 Zn, 140 Ba и др.
За последние 60 лет человек научился использовать атомную энергию в самых разных целях: в медицине, для создания атомного оружия, производства энергии, поиска полезных ископаемых.
Все это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Часто облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников (табл. 3.4).
Таблица 3.4 Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения
|
Источник излучения |
Доза, мбэр/год |
|
Природный радиационный фон |
200 |
|
Стройматериалы |
140 |
|
Медицинские исследования |
140 |
|
Бытовые предметы |
4 |
|
Ядерные испытания |
2,5 |
|
Полеты в самолетах |
0,5 |
|
Атомная энергетика |
0,3 |
|
Телевизоры и мониторы ЭВМ |
0,1 |
|
Общая доза* |
500 |
В процессе жизнедеятельности незначительные дозы облучения люди также получают: от рентгеновских аппаратов для проверки багажа пассажиров в аэропортах; каменных украшений и др.
Существует огромное количество общеупотребительных предметов, являющихся источниками облучения: часы со светящимся циферблатом, при изготовлении которых используют радий; радиоактивные изотопы, применяемые в светящихся устройствах: указателях входа-выхода, в компасах, телефонных дисках, прицелах, в дросселях флуоресцентных светильников и других электроприборах; детекторы дыма, в которых используются радионуклиды – α -излучатели; специальные оптические линзы с примесями тория и др.
Приведенные данные свидетельствуют, что вклад ядерной энергетики в облучение населения в сравнении с другими техногенными и природными источниками радиоактивности незначителен и сопоставим с воздействиями от полетов на самолете или работы с компьютером.
Естественный радиационный фон — Комиссия по ядерной безопасности Канады
Ноябрь 2020 г.
Информационный бюллетень — Естественный радиационный фон (PDF)
Краткие факты
- Радиация всегда присутствовала и окружает нас во многих естественных формах. Жизнь развивалась в мире со значительным уровнем ионизирующего излучения.
- Многие радиоизотопы встречаются в природе и возникли во время формирования Солнечной системы и в результате взаимодействия космических лучей с молекулами в атмосфере. Тритий является примером радиоизотопа, образованного в результате этого взаимодействия.
- Радиоизотопы, такие как полоний-210, углерод-14 и калий-40, естественным образом встречаются в организме человека.
- Калий-40 присутствует во многих распространенных продуктах, включая красное мясо, белый картофель, морковь, бананы, лимскую фасоль и бразильские орехи.
- Среднегодовая эффективная доза от естественного фонового излучения составляет примерно 1,8 миллизиверта (мЗв) в Канаде и 2,4 мЗв во всем мире.
Жизнь развивалась в мире со значительным уровнем ионизирующего излучения.Излучение – это энергия в движении в виде волн или потоков частиц. Радиация всегда присутствовала и окружает нас во многих формах.
Когда люди слышат слово «радиация», они часто думают об атомной энергии, ядерной энергии и радиоактивности, но радиация имеет много разных форм и исходит из многих других источников.
Звук и видимый свет — знакомые формы излучения; другие типы включают ультрафиолетовое излучение (вызывающее загар), инфракрасное излучение (форма тепловой энергии), а также радио- и телевизионные сигналы. Это примеры неионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение способно сбивать электроны с орбит вокруг атомов, нарушая электронно-протонный баланс и потенциально повреждая клетки. Примеры включают альфа-, бета-, гамма- и нейтронное излучение и рентгеновские лучи.
Жизнь развивалась в мире со значительным уровнем ионизирующего излучения, и наши тела адаптировались к нему.
Электромагнитный спектр
Естественные источники излучения
Фоновое излучение является постоянным источником ионизирующего излучения, присутствующего в окружающей среде и испускаемого различными источниками. По данным Научного комитета Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации (НКДАР ООН), существует четыре основных источника естественной радиации: космическая радиация, земная радиация и поступление природных радионуклидов при вдыхании и проглатывании.
Космическое излучение
Внешняя атмосфера Земли постоянно подвергается бомбардировке космическим излучением. Обычно он возникает из различных источников, включая солнце и другие небесные явления во Вселенной. Некоторое количество ионизирующего излучения проникает в атмосферу Земли и поглощается людьми, что приводит к естественному радиационному облучению.
Земная радиация
Состав земной коры является основным источником естественной радиации. Основной вклад вносят природные месторождения урана, калия и тория, которые в процессе естественного распада выделяют небольшое количество ионизирующего излучения. Уран и торий встречаются практически повсеместно. Следы этих минералов также обнаруживаются в строительных материалах, поэтому воздействие естественной радиации может происходить как внутри помещений, так и снаружи.
Вдыхание
Большая часть вариаций воздействия естественной радиации возникает в результате вдыхания радиоактивных газов, которые образуются из радиоактивных минералов, обнаруженных в почве и коренных породах.
Радон представляет собой бесцветный и не имеющий запаха радиоактивный газ, образующийся при распаде урана. Торон — радиоактивный газ, образующийся при распаде тория. Уровни радона и торона значительно различаются в зависимости от местоположения в зависимости от состава почвы и коренных пород.
При попадании в воздух эти газы обычно разбавляются до безвредного уровня в атмосфере, но иногда они задерживаются и накапливаются внутри зданий и вдыхаются жильцами. Газ радон представляет опасность для здоровья не только шахтеров, занимающихся добычей урана, но и домовладельцев, если его оставляют собирать в доме. В среднем это самый крупный источник естественного радиационного облучения.
Проглатывание
Следовые количества радиоактивных минералов естественным образом обнаруживаются в пищевых продуктах и питьевой воде. Например, овощи обычно выращивают в почве и грунтовых водах, содержащих радиоактивные минералы. При попадании в организм эти минералы приводят к внутреннему облучению естественной радиацией.
Некоторые из основных элементов, входящих в состав человеческого тела, в основном калий и углерод, содержат радиоактивные изотопы, которые значительно увеличивают нашу дозу фонового излучения.
Дозы естественного облучения
Эффективная доза — это общий термин, который относится к количеству энергии, поглощаемой тканью от ионизирующего излучения. Эффективная доза измеряется в зивертах (Зв) и чаще выражается либо в миллизивертах (мЗв), что представляет собой тысячную долю зиверта, либо в микрозивертах (мкЗв), то есть в одной миллионной части зиверта. Общая средняя эффективная доза естественного излучения в мире составляет примерно 2,4 мЗв в год; в Канаде — 1,8 мЗв. В некоторых частях мира она, естественно, намного выше — например, на побережье Кералы в Индии годовая эффективная доза составляет 12,5 мЗв. Доза зависит от источника излучения. Например, в северном Иране геологические характеристики приводят к дозе, которая может достигать 260 мЗв в год.
Дозы от естественного фонового излучения
Космическое излучение
Районы на больших высотах получают больше космического излучения.
Согласно исследованию Министерства здравоохранения Канады, годовая эффективная доза облучения космическими лучами в Ванкувере, Британская Колумбия, на уровне моря, составляет около 0,30 мЗв. Это можно сравнить с вершиной горы Лорн на Юконе, где на высоте 2000 м человек ежегодно получает дозу около 0,84 мЗв. Полеты на самолете увеличивают воздействие космического излучения, в результате чего средняя доза составляет 0,01 мЗв на канадца в год.
Земная радиация
В земле также есть естественные источники радиации, а некоторые регионы получают больше земной радиации от почв, содержащих большее количество урана. Средняя эффективная доза от излучения, испускаемого почвой (и строительными материалами, исходящими из земли), составляет примерно 0,5 мЗв в год. Однако эта доза варьируется в зависимости от местоположения и геологии, при этом дозы достигают 260 мЗв в Северном Иране и 90 мЗв в Нигерии. В Канаде расчетная самая высокая годовая доза наземного излучения составляет примерно 1,4 мЗв, измеренная в Северо-Западных территориях.
Вдыхание
Земная кора производит газ радон, который присутствует в воздухе, которым мы дышим. Газ радон естественным образом рассеивается при попадании в атмосферу из-под земли. Однако, когда газ радон попадает в здание (через пол из-под земли), его концентрация имеет тенденцию к увеличению. Длительное воздействие повышенных уровней радона увеличивает риск развития рака легких. Среднегодовая эффективная доза радонового излучения в мире составляет примерно 1,2 мЗв.
Проглатывание
Ряд источников естественного излучения проникает в наш организм через пищу, которую мы едим, воздух, которым дышим, и воду, которую пьем. Калий-40 является основным источником внутреннего облучения (помимо распада радона), который содержится в различных повседневных продуктах. Средняя эффективная доза от этих источников составляет примерно 0,3 мЗв в год.
Уровни дозы естественного фонового излучения в мире
Суммарная средняя эффективная доза естественного излучения в мире составляет примерно 2,4 мЗв в год.
Однако дозы могут сильно различаться. На следующем рисунке показано, как канадские города и средняя доза в Канаде сравниваются с другими частями мира.
Источники: Gratsky et al. 2004, НКДАР ООН 2008, NCRP 160 2009
Что такое космический микроволновый фон?
Это изображение всего неба космического микроволнового фона, созданное на основе данных, собранных спутником Европейского космического агентства «Планк» в ходе первого обзора всего неба, показывает отголоски Большого взрыва, оставшиеся со времен зарождения Вселенной. (Изображение предоставлено консорциумами ESA/LFI и HFI) Космический микроволновый фон (CMB) — это оставшееся излучение Большого взрыва или времени, когда зародилась Вселенная. Согласно теории, когда Вселенная родилась, она претерпела быструю инфляцию, расширение и охлаждение. (Вселенная все еще расширяется сегодня, и скорость расширения кажется разной в зависимости от того, куда вы смотрите). Реликтовое излучение представляет собой тепло, оставшееся от Большого взрыва.
Реликтовое излучение не видно невооруженным глазом, но оно повсюду во Вселенной. Он невидим для людей, потому что он очень холодный, всего на 2,725 градуса выше абсолютного нуля (минус 459,67 градуса по Фаренгейту или минус 273,15 градуса по Цельсию). Это означает, что его излучение наиболее заметно в микроволновой части электромагнитного спектра.
По данным НАСА, реликтовое излучение заполняет Вселенную, и до появления кабельного телевидения каждый дом, у которого был телевизор, мог видеть послесвечение Большого взрыва . Включив телевизор на «промежуточный» канал, вы могли видеть реликтовое излучение в виде статического сигнала на экране.
Связанный: Некоторые сверхмассивные черные дыры могут содержать следы Большого Взрыва
Как образовался космический микроволновый фон?
Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад, а реликтовое излучение датируется примерно 400 000 лет после Большого взрыва. Это потому, что на ранних стадиях Вселенной, когда она была всего лишь стомиллионной от сегодняшнего размера, ее температура была экстремальной: 273 миллиона градусов 90 115 выше 90 116 абсолютного нуля , по данным НАСА.
Любые атомы, имевшиеся в то время, быстро распадались на мелкие частицы (протоны и электроны). Излучение реликтового излучения в виде фотонов (частиц, представляющих кванты света или другое излучение) рассеивалось на электронах. «Таким образом, фотоны бродили по ранней Вселенной, как оптический свет бродит по густому туману», — пишет НАСА.
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно прохладной, чтобы мог образоваться водород. Поскольку фотоны реликтового излучения практически не подвергаются воздействию водорода, фотоны движутся по прямым линиям. Космологи называют «поверхностью последнего рассеяния», когда фотоны реликтового излучения в последний раз сталкиваются с материей; после этого Вселенная стала слишком большой. Поэтому, когда мы наносим на карту реликтовое излучение, мы оглядываемся назад во времени на 380 000 лет после Большого взрыва, сразу после того, как Вселенная стала непрозрачной для излучения.
Роберт Уилсон открыл космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) в 1964 году вместе с Арно Пензиасом, положив твердую основу теории Большого взрыва.
За эту находку Уилсон и Пензиас получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году. (Они разделили награду с советским ученым Петром Капицей.) (Изображение предоставлено Клайвом Грейнджером (CfA))Кто открыл космическое микроволновое излучение?
Американский космолог Ральф Афер впервые предсказал реликтовое излучение в 1948 году, когда он работал с Робертом Херманом и Джорджем Гамовым, по данным НАСА. Команда проводила исследования, связанные с нуклеосинтезом Большого взрыва или производством элементов во Вселенной, помимо самого легкого изотопа (типа) водорода. Этот тип водорода был создан очень рано в истории Вселенной.
Но CMB впервые был найден случайно. В 1965 году два исследователя из Bell Telephone Laboratories (Арно Пензиас и Роберт Уилсон) создавали радиоприемник и были озадачены шумом, который он улавливал. Вскоре они поняли, что шум доносится равномерно со всего неба. В то же время команда Принстонского университета (под руководством Роберта Дике) пыталась найти реликтовое излучение.
Команда Дикке пронюхала об эксперименте Белла и поняла, что реликтовое излучение обнаружено.
Обе команды быстро опубликовали статьи в Astrophysical Journal в 1965, где Пензиас и Уилсон рассказывают о том, что они видели, а команда Дикке объясняет, что это значит в контексте вселенной. (Позже Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике 1978 года).
О чем говорит нам космический микроволновый фон?
Изображение космического микроволнового фонового излучения, полученное спутником Planck Европейского космического агентства (ESA) в 2013 году, показывает небольшие колебания по небу. (Изображение предоставлено ESA и Planck Collaboration) Реликтовое излучение полезно ученым, потому что помогает нам узнать, как формировалась ранняя Вселенная. Он имеет однородную температуру, и в точные телескопы видны лишь небольшие колебания. «Изучая эти колебания, космологи могут узнать о происхождении галактик и крупномасштабных структурах галактик, а также измерить основные параметры теории Большого взрыва», — пишет НАСА.
В то время как части реликтового излучения были нанесены на карту в последующие десятилетия после его открытия, первая космическая карта всего неба была получена в ходе миссии NASA Cosmic Background Explorer (COBE), которая была запущена в 1989 и прекратил научную деятельность в 1993 году. Эта «детская картинка» Вселенной , как ее называет НАСА, подтвердила предсказания теории Большого взрыва, а также показала намеки на космическую структуру, которых раньше не видели. В 2006 году Нобелевская премия по физике была присуждена ученым COBE Джону Мазеру из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Джорджу Смуту из Калифорнийского университета в Беркли.
Более подробная карта появилась в 2003 году благодаря Микроволновому зонду анизотропии Уилкинсона (WMAP), который был запущен в июне 2001 года и прекратил сбор научных данных в 2010 году. На первом снимке возраст Вселенной был определен в 13,7 миллиарда лет . (измерение с тех пор уточнено до 13,8 миллиардов лет), а также обнаружил сюрприз: самые старые звезды начали сиять примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва, намного раньше, чем предсказывалось.
Ученые доработали эти результаты, изучив самые ранние стадии инфляции Вселенной (в триллионную секунду после образования ) и предоставив более точные параметры ( открывается в новой вкладке) о плотности атомов, бугристости Вселенной и других свойствах Вселенной вскоре после ее образования. Они также увидели странную асимметрию средних температур в обоих полушариях неба и «холодное пятно», которое было больше, чем ожидалось. Команда WMAP получила за свою работу Премию за прорыв в фундаментальной физике 2018 года.
В 2013 году были опубликованы данные космического телескопа Европейского космического агентства «Планк» , показывающие самое точное изображение реликтового излучения.
С помощью этой информации ученые раскрыли еще одну загадку: колебания реликтового излучения в больших угловых масштабах не соответствовали предсказаниям. Планк также подтвердил то, что увидел WMAP в отношении асимметрии и холодного пятна. Окончательный выпуск данных «Планка» в 2018 году (миссия выполнялась с 2009 по 2013 год) продемонстрировал еще одно доказательство того, что темная материя и темная энергия — таинственные силы, которые, вероятно, стоят за ускорением Вселенной — действительно существуют.
Другие исследователи пытались изучить различные аспекты реликтового излучения. Один из них определяет типы поляризации, называемые Е-модами (обнаруженными антарктическим интерферометром с угловой шкалой в 2002 году) и В-модами. B-моды могут быть получены в результате гравитационного линзирования E-мод (это линзирование было впервые замечено Телескопом Южного полюса в 2013 г.) и гравитационных волн (которые впервые наблюдались в 2016 г. с помощью усовершенствованного лазерного интерферометра Gravitational Wave).
обсерватории или LIGO). В 2014 году инструмент BICEP2, базирующийся в Антарктике, обнаружил B-моды гравитационных волн, но дальнейшее наблюдение (включая работу Планка) показало, что эти результаты были связаны с космической пылью.
По состоянию на середину 2018 года ученые все еще ищут сигнал, указывающий на краткий период быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. В то время Вселенная увеличивалась со скоростью, превышающей скорость света. Если это произошло, исследователи подозревают, что это должно быть видно в реликтовом излучении через форму поляризации. Исследование, проведенное в том же году, показало, что свечение наноалмазов создает слабый, но различимый свет, который мешает наблюдениям за космосом. Теперь, когда это свечение учтено, будущие исследования могут удалить его, чтобы лучше искать слабую поляризацию в реликтовом излучении, заявили в то время авторы исследования.
Дополнительное чтение
Если вы хотите узнать больше о космическом микроволновом фоне и Большом взрыве, пройдите этот бесплатный курс (откроется в новой вкладке) Открытого университета.
Вы можете более подробно исследовать странное «холодное пятно» на космическом микроволновом фоне с помощью этой статьи из Physics World (открывается в новой вкладке) и веб-сайта UK Planck (открывается в новой вкладке), где вы можете просматривать карты неба, созданные космический телескоп «Планк».
Библиография
- Аштекар, Абхай и др. «Снижение напряженности космического микроволнового фона с помощью физики планковского масштаба (откроется в новой вкладке)». Письма с физическим обзором 125.5 (2020): 051302.
- Чой, Стив К. и др. «Космологический телескоп Атакама: измерение спектров мощности космического микроволнового фона на частотах 98 и 150 ГГц (открывается в новой вкладке)» Журнал космологии и физики астрофизики 2020.12 (2020): 045.
- Поспелов, Максим и др. «Место для новой физики в хвосте Рэлея-Джинса космического микроволнового фона (открывается в новой вкладке)». Письма с физическим обзором 121.3 (2018 г.): 031103.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором для Space.com в течение 10 лет до этого, с 2012 года. она также занимается такими темами, как разнообразие, научная фантастика, астрономия и игры, чтобы помочь другим исследовать вселенную. Репортажи Элизабет с места событий включают в себя два запуска пилотируемых космических кораблей из Казахстана, три миссии шаттлов во Флориде и встроенные репортажи с моделируемой миссии на Марс в Юте. Она имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты и степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде. Элизабет также является инструктором по коммуникациям и науке после окончания средней школы с 2015 года. Ее последняя книга «Моменты лидерства от НАСА» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет впервые заинтересовалась космосом после просмотра фильма «Аполлон-13» в 19 лет.
96, и все еще хочет когда-нибудь стать космонавтом.
Естественная радиация
Радиация и я
Естественная радиация окружает нас повсюду. Радиацию можно найти в почве, в нашем воздухе и воде и в нас самих. Поскольку это происходит в нашей естественной среде, мы сталкиваемся с ним каждый день через пищу, которую едим, воду, которую пьем, и воздух, которым дышим. Он также содержится в строительных материалах и предметах, которые мы обычно используем.
Существует три группы естественного излучения, в основном в зависимости от источника излучения. Во-первых, это излучение в почвах и горных породах, называемое первичным или земным. Затем идет излучение из космоса, называемое космическим или космогенным. Третий создан человеком, что-то, созданное людьми, которое иначе не существовало бы, или что-то, что содержит больше радиации, чем обычно (улучшенное), потому что люди что-то с этим сделали.
Подсчитано, что люди в Соединенных Штатах ежегодно получают около 6,2 мЗв из всех этих источников (источник таблицы: NCRP 160, 2009 г.
).
Расчетная годовая доза облучения в США на человека
| Источник | Среднегодовая эффективная доза (мБэр) |
|---|---|
| Радон и другие радионуклиды, которые мы едим, пьем или вдыхаем | 257 |
| Излучение от почвы, горных пород, строительных материалов | 21 |
| Космическое/космогенное излучение | 33 |
| Техногенные источники | 311 |
| Итого | 622 |
Большая часть дозы облучения, которую мы получаем, исходит от естественных источников, в основном от радона (обсуждается в следующей части).
Следующая по величине доза приходится на медицинскую радиацию. Наименьшая доза, которую мы получаем (<1 процента), приходится на выбросы атомных электростанций и радиоактивные осадки от взрывов атомных бомб в прошлом.
Люди, которые часто летают, задаются вопросом о дополнительном радиационном облучении, которое они получают во время полета. Это зависит от нескольких вещей, в том числе от того, как долго длится полет, как высоко летит самолет и, конечно же, как часто летает человек. Некоторые из приблизительных доз при полете на высоте 36 000 футов:
Радон
Радон — это бесцветный газ без запаха, который можно найти в почве и камнях под домами, в колодезной воде и в строительных материалах. Радон находится в почве, потому что почва содержит встречающийся в природе уран, который в конечном итоге распадается до газообразного радона.
Радон может попасть в наши дома из почвы через любые трещины или отверстия в фундаменте и из водопровода. Допустимая концентрация радона в водопроводах строго регулируется; поэтому именно радон в воздухе, поступающий в ваш дом из земли, может представлять опасность.
Радон может представлять опасность, если он достигает высоких концентраций при попадании в дом. Мы строим наши новые дома так, чтобы они были очень экономичными и хорошо изолированными, и, поскольку мы делаем это, обмен наружного воздуха практически невозможен, если мы не открываем двери или окна. Это дает радону возможность накапливаться, если он может попасть в дом. Это один из факторов, определяющих активность радона в домах — может ли он попасть в дом? Другим фактором является то, сколько выходит из-под земли. Определенные типы почв, например, с высоким содержанием известняка, по-видимому, имеют более высокую концентрацию выделяемого радона.
Конечно, радон есть и в естественном наружном воздухе, но он разбавлен всем доступным воздухом.
Агентство по охране окружающей среды (EPA) провело национальное исследование в Соединенных Штатах и определило, что средняя концентрация радона в воздухе внутри помещений (1,3 пикокюри на литр воздуха) примерно в три раза выше, чем средняя концентрация в воздухе на открытом воздухе (0,4 пикокюри на литр). . Средняя концентрация в воздухе помещений в три раза меньше рекомендуемого предела (4,0 пикокюри на литр). Несмотря на то, что в среднем мы можем ожидать, что в нашем доме будет около 1,3 пикокюри на литр радона, по оценкам EPA, почти в 1 из каждых 15 домов в Соединенных Штатах повышенный уровень радона.
Поскольку радон — это газ, он попадает в наши легкие при дыхании. Хотя большая часть радона затем выдыхается, та часть, которая остается в легких в виде радона (а затем в виде продуктов радиоактивного распада, образующихся из радона), облучает легкие. Мы также получаем радиоактивные материалы в наши легкие, когда мы вдыхаем продукты радиоактивного распада радона в воздухе, которым мы дышим.