Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания Страница 56

Космическая радиация

Космическая радиация представляет большую проблему для астронавтов. На Земле атмосфера и магнитное поле создают своеобразный щит, отражающий почти все радиоактивное излучение за исключением видимого света и радиоволн. В космосе же астронавты постоянно подвергаются его пагубному воздействию. Источников космической радиации три: галактические лучи, солнечное излучение и радиационные пояса.

Учеловека имеется два органа равновесия – по обеим сторонам головы. Они называются вестибулярным аппаратом и находятся во внутреннем ухе. Вестибулярный аппарат состоит из двух отолитовых органов и трех полукружных каналов, и его назначение – передавать информацию о движениях и расположении тела в пространстве.

Отолитовые органы представляют собой заполненные жидкостью мешочки с чувствительными участками на стенках. Эти участки образованы группами клеток, покрытых тончайшими сенсорными волосками – ресничками. Реснички уходят в слой желеобразного вещества, обволакивающего поверхность клетки. В эту желеобразную массу вкраплены крошечные, размером с пылинку, кристаллы карбоната кальция, известные как отолиты («ушные камни», если буквально). Они служат рецепторами гравитации.

Когда мы держим голову прямо, реснички стоят вертикально, поддерживаемые желеобразной массой, покрывающей поверхность клетки. Но стоит наклонить голову, и кристаллы под действием силы притяжения съезжают вбок, задевая и тем самым возбуждая реснички. Отолиты реагируют и на вертикальное воздействие: когда лифт уносит нас вниз, отолиты тянут волоски вверх, вызывая то самое ощущение, будто желудок подкатывает к диафрагме.

В космосе отолиты перестают давить на чувствительные волоски, и сигналы о положении тела в пространстве, поступающие в мозг от отолитового органа и от органов зрения, начинают расходиться. Считается, что именно это расхождение и вызывает космическую болезнь.

Полукружные каналы реагируют на угловое ускорение. Каналов этих три, и они расположены под прямым углом друг к другу по трем осям, что позволяет отслеживать движение в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, когда мы киваем головой, склоняем голову набок или мотаем ею из стороны в сторону (в авиационных терминах это называется «тангаж», «крен» и «рыскание»).

Полукружный канал представляет собой заполненную жидкостью полую трубку, на конце которой имеется утолщение (ампула), а в нем – сенсорные клетки. Они покрыты множеством тончайших ресничек, сообщающихся с центром канала. Внутриканальная жидкость, приходя в движение, цепляет реснички, которые возбуждают сенсорные клетки.

Когда мы поворачиваем голову, череп движется, однако жидкость в полукружных каналах по инерции запаздывает. Соответственно, отклоняясь, она цепляет реснички, возбуждая сенсорные клетки и вызывая ощущение движения. Если продолжить поворот, жидкость «догонит» череп и будет двигаться с той же скоростью. Поворот перестанет ощущаться. Это значит, что полукружные каналы отмечают изменения в угловой скорости, но к продолжительному вращению нечувствительны. Поэтому пилот поворачивающего самолета, к примеру, через 15–30 секунд перестает ощущать поворот и должен определять обстановку по приборам и визуальным ориентирам.

Когда тело перестает вращаться, жидкость в полукружных каналах снова запаздывает по инерции, вызывая ощущение, что вы все еще кружитесь. Именно поэтому по выходе из штопора пилоту кажется, что самолет теперь поворачивает в противоположном направлении. Примерно то же самое происходит, если покружиться на месте и резко остановиться.

На Земле, когда мы киваем головой вверх-вниз или наклоняем вбок, возбуждаются и гравитационные рецепторы, и рецепторы углового ускорения. При микрогравитации гравитационные рецепторы отключаются, однако угловое ускорение по-прежнему ощутимо. Сигналы, поступающие в мозг, оказываются половинчатыми, непривычными, что также объясняет, почему космическая болезнь может начаться с кивка головой. Со временем мозг приспосабливается к новым сигналам, и космическая болезнь проходит.

Данные от вестибулярного аппарата скоординированы с движениями глаз, чтобы мир не переворачивался, когда мы наклоняем голову. Когда мы поворачиваем голову вправо, компенсаторный рефлекс с той же скоростью смещает взгляд влево, чтобы картина мира оставалась прежней. Именно поэтому, когда мы кружимся, а потом останавливаемся, все вокруг будто продолжает кружиться – это наш взгляд движется в противоположном направлении.

По рассказам астронавтов, в космическом полете нарушается и эта связь между вестибулярным аппаратом и движениями глаз: при повороте головы кажется, что движется мир вокруг, а не сам человек.

Галактические лучи рождаются за пределами Солнечной системы и обрушиваются на земную атмосферу непрерывным потоком. Они могут возникнуть при вспышке сверхновой или испускаться другими звездами Галактики. Большей частью они состоят из протонов (ядер водорода) и альфа-частиц (ядер гелия) и несут огромный заряд энергии. Достигая верхних слоев земной атмосферы, эти первичные частицы сталкиваются с ядрами атомов газа, рассыпаясь дождем вторичных частиц, включающих протоны, нейтроны, электроны, мю-мезоны, пи-мезоны и нейтрино. Таким образом, первичные космические лучи не проникают сквозь атмосферу, и до поверхности Земли долетает лишь небольшая доля вторичных частиц. Однако в космосе для защиты астронавтов от галактической радиации приходится создавать специальную оболочку.

Солнце испускает непрерывный поток заряженных энергией ионизирующих частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и распространяющийся по спирали со скоростью около 450 км / с. В обычном состоянии солнечный ветер на подходе к Земле содержит около пяти частиц на кубический сантиметр. Однако время от времени на поверхности Солнца случаются гигантские вспышки, выбрасывающие в межпланетное пространство огромное количество частиц. Эти вспышки, равные по мощности миллиарду мегатонных термоядерных реакций, сопровождаются выбросом до 10 млрд т частиц в течение нескольких секунд. Во время таких солнечных бурь на Землю обрушивается гораздо более сильный поток радиации. Прогнозировать такие вспышки, как и земную погоду, довольно сложно. Тем не менее известно, что цикл изменений солнечной активности составляет примерно 11 лет.

На Земле мы живем под защитой магнитного поля, препятствующего проникновению космической радиации. Оно задерживает заряженные частицы, собирая их в облако. Огромное количество этих частиц, в основном высокоэнергичных протонов и электронов, сосредоточено в двух различных областях над Землей, известных как внутренний и внешний радиационные пояса, открытые Джеймсом ван Алленом и его студентами в 1958 г. Каждый из поясов представляет собой «бублик» (выражаясь научным языком, тороид), охватывающий Землю и совмещенный по центральной оси с экватором. Внутренний пояс отстоит от поверхности Земли минимум на 300 км, а внешний простирается в космос на 45 000 км, то есть примерно на одну шестую расстояния до Луны.

Чтобы понять, как заряженные частицы улавливаются поясами Ван Аллена, представьте Землю в виде магнитного бруска, оканчивающегося на Северном и Южном полюсах. От одного торца магнита к другому проходят силовые линии. Они невидимы, однако их можно заставить проявиться с помощью железных опилок. Кроме того, их умеют обнаруживать некоторые виды бактерий и животных, обладающих «магнитным чувством». Линии магнитного поля Земли служат барьером для заряженных частиц в космических лучах. Частицы притягиваются к полюсам, вращаясь и кружась. На полюсах некоторые из них все же прорываются в земную атмосферу, однако большинство устремляется вдоль силовой линии в обратный путь. Этот бесконечный круговорот протонов и образует пояса Ван Аллена.

Для астронавтов и спутников радиационные пояса представляют серьезную опасность, грозя облучением до 200 мЗв / ч. Поэтому высота орбитальных полетов не превышает 400 км. На этих низких орбитах радиация в основном невелика – за исключением одного участка над Южной Атлантикой. Шаттл, совершая витки по орбите, проходит над этим участком около шести раз в день, и именно там экипаж собирает основную дозу получаемой в космическом полете радиации. На других девяти орбитах шаттл через Южно-Атлантическую аномалию не проходит, поэтому все внебортовые работы совершаются на этих орбитах.

Хотя в космосе уровень радиации обычно низок, долговременное воздействие может повлиять на генетический материал (ДНК), повышая риск развития рака, а поражение ДНК половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов) грозит бесплодием или рождением у астронавтов детей с генетическими отклонениями. Непосредственную опасность представляет интенсивное облучение от солнечных вспышек, поскольку оно убивает клетки сразу – смерть может наступить через несколько часов в результате поражения центральной нервной системы или через несколько дней из-за гибели лейкоцитов или быстро делящихся клеток, выстилающих стенки кишечника. Попав под облучение от солнечной вспышки, астронавт через несколько часов погибнет от острой лучевой болезни. Более того, поскольку всплеск солнечной активности может продолжаться не один час и даже не один день, кумулятивное воздействие низких доз облучения тоже может оказаться критическим. К счастью, солнечные вспышки случаются достаточно редко.