Опасности космических лучей

Все космические лучи сверхвысоких энергий исходят из очень, очень большого расстояния (все, что способно создать их поблизости, представляло бы опасность для жизни, как мы это знаем). Я думаю, что предпочтительным механизмом в наши дни является динамическое ускорение в джетах, образованных активными галактическими ядрами, но не цитируйте меня.

В любом случае, хотя они и ультрарелятивистские, это означает, что они стабильные частицы. На самом деле, в основном протоны.

Когда протон сверхвысокой энергии проходит через небольшое количество материи, как космонавт, мы можем очень просто смоделировать его потерю энергии. График в Книге данных по физике частиц на самом деле недостаточно высок, но мы можем экстраполировать и сказать, что потери энергии все еще меньше, чем$10\text{ MeV/g/cm}^2$. Плотность нашего астронавта близка к$1\text{ g/cm}^3$и средняя толщина (с учетом всех соотношений сторон) около 50 см. Таким образом, ожидаемая полная энергия составляет всего 500 МэВ.

Это, конечно, ионизирующее излучение, но качественно не отличающееся от остального космического фона.

Если космический корабль представляет собой небольшую тонкостенную банку с небольшим количеством воздуха, ситуация лишь немногим хуже. Там больше шансов принять душ. Но это просто более высокая доза, а не эффектная смерть.

Они редки, порядка одного на квадратную милю в столетие. См. Космические лучи сверхвысоких энергий (Википедия). Таким образом, человек с площадью поперечного сечения менее 1 квадратного метра может получить удар примерно раз в 100 миллионов лет. Я думаю, что риск для жизни из-за неисправности космического корабля значительно выше этого.

А когда они попадают в атмосферу Земли, то расходуют свою энергию на всю толщу атмосферы. Ни один регион не замазывается. (Иначе они были бы обнаружены задолго до этого по звуку перегрева воздуха.) Толщина атмосферы в пересчете на эквивалентную массу воды составляет около 10 метров водяного столба. Это намного больше, чем эквивалентное распределение веса космического корабля. Таким образом, мой вывод на обратной стороне конверта заключается в том, что, если космический корабль все-таки столкнется с одним из них, большая часть энергии выйдет с дальней стороны космического корабля.

С другой стороны, космические лучи всех видов могут повредить электронику. Он может переключать единицы на нули или наоборот, и я думаю, что такой высокоэнергетический луч действительно может повредить компонент.

Чтобы реально исследовать космические корабли с точки зрения того, как в них действуют космические лучи, полезно использовать числа для реального космического корабля. Помимо тонкой металлической оболочки, космический корабль также имеет газохранилище, хранилище топлива и место для туалета. И космический корабль должен быть прочно построен, даже если ему не нужно приземляться на землю. Это большие, тяжелые предметы.

Например, Международная космическая станция (МКС) весит 375 000 кг и имеет герметичный объем 907 м ^ 3:

Таким образом, его плотность составляет 375 000/907 = 413 кг/м^3, что почти вдвое меньше, чем у воды, а расстояние между неупругими столкновениями составляет около 3,7 см.

Большая часть космического корабля состоит из солнечных батарей. Однако, как и любая другая ядерная материя, они будут генерировать каскады при попадании на них космического луча. Длина корабля (по его боевому отсеку) составляет 51 метр. При герметизированном объеме, если бы это был цилиндр, его диаметр был бы около 4,8 метра.

При расстоянии 51 метр и плотности 0,41 плотности воды длина МКС эквивалентна 20 метрам воды. Это в два раза больше глубины земной атмосферы. Короткое расстояние составляет около 2 м воды или 1/5 атмосферы Земли. Этого достаточно, чтобы принять душ.

Эти расчеты являются наихудшим случаем, поскольку они приписали весь вес космического корабля объему под давлением. Более точный расчет будет включать космический корабль без солнечных батарей. Примером этого может быть американский орбитальный корабль «Шаттл». С полезной нагрузкой 93 000 кг (максимальная посадочная масса 104 000 кг). Длина 37 м, размах крыла 24 м. Диаметр основного боевого отделения составляет около 7 м.

В предположении, что космический аппарат представляет собой цилиндр длиной 37 м и диаметром 7 м, его объем составляет около 1400 кубических метров, а плотность - около 74 кг/м^3. Таким образом, частица, путешествующая по всей длине корабля, встретит примерно 37 м x 74 кг/м^3 = 2,7 метра водного эквивалента. При толщине 1/4 земной атмосферы этого достаточно, чтобы запустить хороший каскад.

Анна В отмечает, что площадь (неупругого) поперечного сечения для столкновения протона с протоном чрезвычайно высокой энергии составляет всего около 1 барна или 1,0E-28 м^2. На самом деле в ее статье (1984 г.) дается 530 мб, но при очень высоких энергиях сечение неизвестно и может превышать амбар, см. рисунок (4):
Nucl.Phys.Proc.Suppl.196:335-340 (2009). , Ральф Ульрих, Ральф Энгель, Штеффен Мюллер, Фабиан Шюсслер, Михаэль Унгер Протонно-воздушное поперечное сечение и обширные воздушные ливни
http://arxiv.org/abs/0906.3075

Масса протона около 1,6Е-27 кг, а кубический метр воды весит 1000 кг (почти целиком нуклоны, т. е. протоны и нейтроны). Таким образом, на кубический метр воды приходится 1000/1,6E-27 = 6,25E+29 нуклонов. Умножение на площадь поперечного сечения дает общую площадь поперечного сечения/м^3 62,5 м^2. Таким образом, расстояние, на котором такой протон начинает каскад в воде, составляет примерно 1/62,5 м = 1,6 см, и к тому времени, когда частица покинет человеческое тело на 50 см позже, у нее будет примерно 31 такое столкновение. Таким образом, размеры человеческого тела достаточны, чтобы начать каскад космических лучей.

На практическом космическом корабле дальнего следования важно защитить экипаж от космических лучей и солнечных вспышек. Одним из предложений для этого является использование экранов , состоящих из 7 кг алюминия на квадратный метр, что составляет около 0,7 см толщины водного эквивалента: http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701314 . вероятность того, что космические лучи высокой энергии начнут каскад при прохождении через эту толщу.

Следует также иметь в виду, что именно частица, а не поток, проходит через астронавта в приведенной выше оценке Дмки, где он рассматривает релятивистскую частицу, проходящую через материю.

Ливень в вашем вопросе, который дал оценку энергии родительской частицы, генерируется каскадными/последовательными столкновениями рассеяния под большими углами на длинном пути. Энергия не высвобождается за один раз, если только космонавту не повезет.

Сечение глубокого неупругого рассеяния при этих энергиях все еще не соответствует амбарным значениям (амбар примерно равен размеру ядра урана), поэтому астронавту должно очень не повезти, чтобы получить даже одно энергетическое рассеяние, не говоря уже о том, чтобы начать ливень.