Gli scienziati della NASA che studiano le radiazioni ad alta quota hanno recentemente pubblicato nuovi risultati sugli effetti delle radiazioni cosmiche nella nostra atmosfera. La loro ricerca contribuirà a migliorare il monitoraggio delle radiazioni in tempo reale per l'equipaggio e i passeggeri dell'industria aeronautica che lavorano in ambienti con radiazioni potenzialmente più elevate.

Immagina di essere seduto su un aereo. Navigando attraverso la stratosfera a 36 anni, 000 piedi, sei ben al di sopra delle nuvole e degli uccelli, e senza dubbio, gran parte dell'atmosfera. Ma, nonostante il suo aspetto, questa regione è tutt'altro che vuota.

appena sopra di te, particelle ad alta energia, chiamati raggi cosmici, stanno zoomando dallo spazio esterno. Queste veloci particelle si schiantano selvaggiamente contro le molecole nell'atmosfera, provocando una reazione a catena di decadimenti delle particelle. Mentre siamo in gran parte protetti da queste radiazioni a terra, su nella sottile atmosfera della stratosfera, queste particelle possono influenzare allo stesso modo gli esseri umani e l'elettronica.

Lanciato nel settembre 2015 vicino a Fort Sumner, Nuovo Messico, Esperimento sulla dosimetria delle radiazioni della NASA, o RaD-X, ha usato un gigantesco pallone riempito di elio per inviare strumenti nella stratosfera per misurare la radiazione cosmica proveniente dal sole e dallo spazio interstellare. I risultati, presentato in un numero speciale del Giornale del tempo spaziale , mostrano alcune delle prime misurazioni del loro genere ad altitudini da 26, 000 a oltre 120, 000 piedi sopra la Terra.

"Le misure, per la prima volta, sono state scattate a sette diverse altitudini, dove la fisica della dosimetria è molto diversa, " ha detto Chris Mertens, investigatore principale della missione RaD-X presso il Langley Research Center della NASA a Hampton, Virginia. "Avendo le misurazioni a queste sette altitudini siamo davvero in grado di testare quanto bene i nostri modelli catturano la fisica della radiazione cosmica".

La radiazione cosmica è causata da particelle ad alta energia che piovono continuamente dallo spazio. La maggior parte di queste particelle energetiche proviene dall'esterno del sistema solare, anche se il sole è una fonte importante durante le tempeste solari.

magnetosfera terrestre, che funge da gigantesco scudo magnetico, impedisce alla maggior parte delle radiazioni di raggiungere il pianeta. Particelle con energia sufficiente, però, può penetrare sia la magnetosfera terrestre che l'atmosfera, dove si scontrano con molecole di azoto e ossigeno. Queste collisioni causano il decadimento delle particelle ad alta energia in particelle diverse attraverso processi noti come cascate nucleoniche ed elettromagnetiche.

Se potessi vedere le particelle dal finestrino dell'aereo, li noteresti raggrupparsi in una regione sopra il piano. La densità dell'atmosfera fa sì che il decadimento avvenga prevalentemente ad un'altezza di 60, 000 piedi, che crea uno strato concentrato di particelle di radiazioni noto come massimo di Pfotzer.

La radiazione nell'atmosfera può essere misurata in due modi:da quanto è presente o da quanto può danneggiare il tessuto biologico. Quest'ultimo è noto come dose equivalente ed è lo standard per quantificare i rischi per la salute. Questa quantità è notoriamente difficile da misurare, poiché richiede di conoscere sia il tipo che l'energia della particella che ha depositato la radiazione, non semplicemente quante particelle ci sono.

Queste particelle, sia le particelle primarie ad alta energia che le particelle secondarie di decadimento, possono avere effetti negativi sulla salute dell'uomo. Le radiazioni cosmiche scompongono il DNA e producono radicali liberi, che possono alterare le funzioni cellulari.

La missione RaD-X ha effettuato misurazioni ad alta quota, pochi dei quali esistevano in precedenza, per capire meglio come la radiazione cosmica si muove attraverso l'atmosfera terrestre. Misurazione del tasso di dose equivalente su un intervallo di altitudini, hanno trovato un costante aumento del tasso più alto nell'atmosfera, una scoperta apparentemente contraria alla concentrazione di particelle al massimo di Pfotzer. Ciò può essere spiegato dalla complessa interazione di particelle primarie e secondarie a queste altitudini, poiché le particelle primarie che si trovano più in alto hanno un effetto molto più dannoso sui tessuti rispetto alle particelle secondarie.

A causa del tempo trascorso nell'alta atmosfera terrestre, gli equipaggi dell'industria aeronautica sono esposti a quasi il doppio dei livelli di radiazioni degli individui a terra. L'esposizione alle radiazioni cosmiche è anche una preoccupazione per l'equipaggio a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e per i futuri astronauti in viaggio su Marte, che ha un ambiente di radiazione simile all'atmosfera superiore della Terra. Imparare a proteggere gli esseri umani dall'esposizione alle radiazioni è un passo fondamentale nella futura esplorazione dello spazio.

I risultati di RaD-X verranno utilizzati per migliorare i modelli meteorologici spaziali, come il Nowcast delle radiazioni ionizzanti atmosferiche per la sicurezza aerea, o NAIRAS, modello, che predice gli eventi di radiazione. Queste previsioni vengono utilizzate dai piloti commerciali per sapere quando e dove i livelli di radiazioni non sono sicuri, consentire il reindirizzamento degli aeromobili nella regione interessata quando necessario.

Mentre i voli in mongolfiera come RaD-X sono essenziali per modellare l'ambiente delle radiazioni, non possono fornire un monitoraggio delle radiazioni in tempo reale, che NAIRAS richiede per la previsione. Il programma Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety della NASA lavora in collaborazione con RaD-X per sviluppare e testare strumenti che possono essere pilotati a bordo di aerei commerciali per il monitoraggio in tempo reale ad alta quota.

Attualmente, uno strumento chiamato TEPC - abbreviazione di contatore proporzionale equivalente al tessuto - è lo strumento standard per misurare la radiazione cosmica. Questo strumento è grande, costoso e non può essere costruito commercialmente, il che lo rende tutt'altro che ideale per la distribuzione su larga scala.

"Abbiamo bisogno di piccoli, compatto, strumenti a stato solido calibrati rispetto al TEPC che possono misurare in modo affidabile gli equivalenti di dose e possono essere integrati negli aerei in modo economico e compatto, " ha detto Mertens.

La missione di volo ha testato due nuovi strumenti - il rilevatore RaySure e il rilevatore Teledyne TID - nella speranza che possano essere installati su aerei commerciali in futuro. Questi nuovi strumenti offrono il vantaggio di essere compatti e di facile realizzazione. Durante i test di missione RaD-X, entrambi gli strumenti si sono rivelati candidati promettenti per il futuro in tempo reale, monitoraggio in loco.