Bức xạ là gì?
Bên ngoài lớp kén bảo vệ của bầu khí quyển Trái đất là một vũ trụ đầy bức xạ. Nhắc tới “bức xạ” trong đời sống, có rất nhiều “mô tả” khác nhau, có người sẽ nói tới bức xạ như một phương pháp hữu hiệu trong việc tiêu diệt tế bào ung thư và cũng có người sẽ giải thích cách tia gamma biến Bruce Banner thành Người khổng lồ xanh trong phim ảnh. Thực tế, bức xạ có nhiều dạng và ở mọi nơi xung quanh chúng ta.
Khái niệm cơ bản nhất được các nhà khoa học và các nhà quản lý đưa ra trong các văn bản: Bức xạ là một dạng năng lượng được phát ra dưới dạng tia, sóng điện từ và/hoặc hạt. Trong một số trường hợp, bức xạ có thể được nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) hoặc cảm nhận được (bức xạ hồng ngoại), trong khi các dạng khác như tia X và tia gamma không thể nhìn thấy được và chỉ có thể quan sát được bằng thiết bị đặc biệt. Mặc dù bức xạ có thể có tác động tiêu cực đến cả hệ thống sinh học và cơ học, nhưng nó cũng có thể được sử dụng một cách hiệu quả phục vụ việc tìm hiểu về từng hệ thống, cơ quan đó.
Quang phổ điện từ (Nguồn: https://science.nasa.gov/ems)
Bức xạ từ Vũ trụ
Bức xạ không gian (từ Vũ trụ) khác với các loại bức xạ từ Trái đất. Bức xạ không gian bao gồm các nguyên tử trong đó các electron đã bị lấy đi khi nguyên tử tăng tốc trong không gian giữa các vì sao với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và cuối cùng, còn lại hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ không gian bao gồm ba loại bức xạ: các hạt bị mắc kẹt trong từ trường của Trái đất; các hạt bị bắn vào không gian trong các đợt bùng phát năng lượng mặt trời (sự kiện hạt mặt trời) và các tia vũ trụ thiên hà, là các proton năng lượng cao và các ion nặng từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Tất cả các loại bức xạ không gian này đều là bức xạ ion hóa.
Ngoài tác động từ Quỹ đạo quay của Trái đất, bức xạ vũ trụ có thể khiến các phi hành gia có nguy cơ mắc bệnh phóng xạ đáng kể bao gồm việc tăng nguy cơ mắc ung thư, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương và các bệnh thoái hóa. Các nghiên cứu về phơi nhiễm bức xạ ở nhiều liều lượng và cường độ khác nhau cung cấp bằng chứng rõ nét rằng ung thư và các bệnh thoái hóa có thể xảy ra do tiếp xúc với tia vũ trụ (GCR) hoặc các sự kiện hạt mặt trời (SPE). Mili-Sievert (mSv) là đơn vị đo lường được sử dụng cho bức xạ. Các phi hành gia tiếp xúc với bức xạ ion hóa với liều lượng trong khoảng từ 50 đến 2.000 mSv (1 mSv tương đương với khoảng ba lần chụp X-quang ngực). Điều đó giống như việc bạn chụp X-quang ngực từ 150 đến 6.000 lần.
Bức xạ có hai loại: bức xạ không ion hóa như từ lò vi sóng, điện thoại di động, radio và bức xạ ion hóa ứng dụng trong y tế như tia X có thể được tạo ra bởi con người hoặc tự nhiên (Mặt trời, các nguyên tố phóng xạ trong lớp vỏ Trái đất, bức xạ bị giữ lại trong từ trường của Trái đất, các ngôi sao và các vật thể thiên văn khác). Nguồn bức xạ lớn nhất của Trái đất là Mặt trời. Mặt trời phát ra tất cả các bước sóng trong quang phổ điện từ (EM). Phần lớn ở dạng bức xạ khả kiến, hồng ngoại và cực tím (UV). Các vụ nổ khổng lồ, được gọi là bùng phát mặt trời, xảy ra trên bề mặt Mặt trời và giải phóng một lượng lớn năng lượng ra không gian dưới dạng bức xạ ion hóa là tia X, tia gamma và các luồng proton và electron. Đây được gọi là sự kiện hạt mặt trời (SPE). Những vụ bùng phát mặt trời này có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho các phi hành gia và thiết bị của họ, ngay cả ở những địa điểm cách xa Mặt trời.
Bức xạ ion hóa bao gồm các hạt có đủ năng lượng để loại bỏ hoàn toàn một electron khỏi quỹ đạo của nó, do đó tạo ra một nguyên tử tích điện dương. Bức xạ không ion hóa ít năng lượng hơn không có đủ năng lượng để loại bỏ các electron khỏi vật liệu mà nó đi qua. Bức xạ ion hóa bao gồm các hạt alpha (hạt nhân nguyên tử heli chuyển động với tốc độ rất cao), các hạt beta (electron hoặc positron tốc độ cao), tia gamma, tia X và bức xạ vũ trụ thiên hà (GCR) từ không gian. Bức xạ không ion hóa bao gồm tần số vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng khả kiến và tia cực tím (UV). Mặc dù nhiều dạng bức xạ không ion hóa và bức xạ ion hóa đã trở nên thiết yếu đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng mỗi loại bức xạ đều có thể gây hại cho các vật thể sống và không sống, và cần phải có các biện pháp phòng ngừa để ngăn ngừa những rủi ro không cần thiết.
Mặc dù bức xạ không ion hóa có hại, nhưng nó có thể dễ dàng được che chắn khỏi môi trường như bức xạ UV. Tuy nhiên, bức xạ ion hóa khó tránh hơn nhiều. Bức xạ ion hóa có khả năng di chuyển qua các chất và làm thay đổi chúng khi đi qua. Khi điều này xảy ra, nó sẽ ion hóa các nguyên tử (đánh bật các electron ra khỏi chúng) trong vật liệu xung quanh mà nó tương tác. Bức xạ ion hóa giống như một viên đạn đại bác có kích thước nguyên tử bắn xuyên qua vật liệu, để lại thiệt hại đáng kể. Các hạt thứ cấp cũng có thể tạo ra nhiều thiệt hại hơn do hạt bức xạ chính truyền chuyển động. Các hạt liên quan đến bức xạ ion hóa trong không gian được phân loại thành ba nhóm chính liên quan đến nguồn bức xạ: tia vũ trụ thiên hà, hạt bùng phát mặt trời và hạt vành đai bức xạ (Vành đai Van Allen) bị mắc kẹt trong không gian xung quanh Trái đất.
Bức xạ vũ trụ thiên hà (GCR) là nguồn bức xạ chính phải được xử lý trên tàu vũ trụ hiện tại và trong các sứ mệnh không gian trong hệ mặt trời. GCR đến từ bên ngoài hệ mặt trời nhưng chủ yếu đến từ bên trong thiên hà Milky Way của chúng ta. GCR bao gồm các hạt nhân của các nguyên tử đã bị lấy đi các electron xung quanh và di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Một cách khác để nghĩ về GCR là tưởng tượng hạt nhân của bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn từ hydro đến urani và cùng một hạt nhân đó di chuyển với tốc độ cực cao. Hạt nhân tốc độ cao mà bạn đang tưởng tượng là GCR. Các hạt này có thể đã được tăng tốc trong vài triệu năm qua bởi từ trường của tàn dư siêu tân tinh. Tóm lại, GCR là các ion nặng, năng lượng cao của các nguyên tố đã bị lấy đi tất cả các electron khi chúng di chuyển qua thiên hà với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng có thể khiến các nguyên tử mà chúng đi qua bị ion hóa. Chúng hầu như không bị cản trở khi đâm xuyên qua tàu vũ trụ thông thường hoặc da thịt của phi hành gia.
Mỗi chuyến bay kéo dài hai năm lên sao Hỏa sẽ lấy đi 2,5 năm tuổi thọ mỗi thành viên phi hành đoàn do tiếp xúc trực tiếp với bức xạ trong hành trình bay. Đó là thông tin được tiết lộ trong báo cáo tham luận tại hội thảo “Hàng không vũ trụ và Y học môi trường” được tổ chức tại Moskva. Báo cáo này cũng cho biết, cho đến nay, nhiều tính toán đã được thực hiện về tổng rủi ro phóng xạ trong toàn bộ cuộc đời của phi hành gia sau các chuyến bay dài lên sao Hỏa kéo dài tới 3 năm trong suốt thời kỳ mặt trời hoạt động nhiều nhất với các lớp bảo vệ có độ dày khác nhau khỏi bức xạ nhôm. Khi thực hiện các tính toán cho tàu vũ trụ dạng hình cầu đơn giản và mô hình cơ thể người được tiêu chuẩn hóa bên trong con tàu, đồng thời xem xét trường hợp phóng tàu vũ trụ lên quỹ đạo sao Hỏa bằng động cơ phản lực lỏng và hệ thống đẩy sử dụng năng lượng hạt nhân, người ta phát hiện ra rằng, đối với nhiệm vụ bay 2 năm lên sao Hỏa và quay trở về, tổng rủi ro nhiễm phóng xạ trong suốt cuộc đời của các phi hành gia, bất kể tuổi tác, với mức chắn bức xạ ion 20g/cm2, sẽ là 7,5%, và tuổi thọ trung bình bị giảm đi 2,5 năm.
Chúng ta có được bảo vệ khỏi bức xạ vũ trụ trên Trái đất không? Có, nhưng không hoàn toàn. Sự sống trên Trái đất được bảo vệ khỏi tác động toàn diện của bức xạ mặt trời và vũ trụ nhờ các từ trường bao quanh Trái đất và bầu khí quyển của Trái đất. Trái đất cũng có các vành đai bức xạ do từ trường của nó gây ra. Vành đai bức xạ bên trong, hay Vành đai Van Allen, bao gồm bức xạ ion hóa dưới dạng các proton rất mạnh, sản phẩm phụ của các vụ va chạm giữa GCR và các nguyên tử trong bầu khí quyển của Trái đất. Các vành đai bức xạ bên ngoài chứa các proton và electron. Khi chúng ta di chuyển xa hơn khỏi lớp lá chắn bảo vệ của Trái đất, chúng ta sẽ tiếp xúc với toàn bộ quang phổ bức xạ và các tác động gây hại của nó. Ngoài bầu khí quyển bảo vệ, chúng ta cũng may mắn vì Trái đất có từ trường. Nó bảo vệ chúng ta khỏi toàn bộ tác động của gió mặt trời và GCR. Nếu không có sự bảo vệ này, sinh quyển của Trái đất có thể không tồn tại như ngày nay hoặc ít nhất sẽ bị giới hạn ở lớp dưới bề mặt.
Những yếu tố nào quyết định lượng bức xạ mà các phi hành gia nhận được? Có ba yếu tố chính quyết định lượng bức xạ mà các phi hành gia tiếp nhận hoặc cách bức xạ ảnh hưởng đến các phi hành gia:
• Độ cao so với Trái đất – ở độ cao lớn hơn, lớp bảo vệ khí quyển của Trái đất không còn nữa và từ trường yếu hơn, do đó khả năng bảo vệ chống lại các hạt ion hóa kém hơn và tàu vũ trụ thường xuyên đi qua các vành đai bức xạ bị mắc kẹt hơn.
• Chu kỳ Mặt trời – Mặt trời có chu kỳ 11 năm, đạt đến đỉnh điểm là sự gia tăng đáng kể về số lượng và cường độ của các đợt bùng phát Mặt trời, đặc biệt là trong thời kỳ có nhiều vết đen Mặt trời.
• Khả năng nhạy bức xạ của từng cá nhân – các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực xác định điều gì khiến người này dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ vũ trụ hơn người khác.
Từ khóa: bức xạ; Vũ trụ;
– CMD –
