ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ, Α ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ, Α ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΥΓΕΙΑ. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΥΓΕΙΑ» MSc: Environment and Health. Capacity building for decision making Διευθυντής ΠΜΣ Νικόλαος Καβαντζάς, Καθ. Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ Επιστημονική Υπεύθυνη ΠΜΣ Πολυξένη Νικολοπούλου-Σταμάτη, Καθ. Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ Μελέτη δόσεων ακτινοβολίας από φαινόμενα κοσμικής ακτινοβολίας σε αεροπορικές πτήσεις Study of radiation doses during air flights due to cosmic radiation Αναστασία Τεζάρη Φυσικός Επιβλέπουσα καθηγήτρια : Ελένη Χριστοπούλου Μαυρομιχαλάκη Ομότιμη Καθηγήτρια του Τμήματος Φυσικής, ΣΘΕ, ΕΚΠΑ ΑΘΗΝΑ 2017

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ, Α ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΘΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΥΓΕΙΑ. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΥΓΕΙΑ» MSc: Environment and Health. Capacity building for decision making Διευθυντής ΠΜΣ Νικόλαος Καβαντζάς, Καθ. Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ Επιστημονική Υπεύθυνη ΠΜΣ Πολυξένη Νικολοπούλου-Σταμάτη, Καθ. Ιατρικής Σχολής ΕΚΠΑ Μελέτη δόσεων ακτινοβολίας από φαινόμενα κοσμικής ακτινοβολίας σε αεροπορικές πτήσεις Study of radiation doses during air flights due to cosmic radiation Αναστασία Τεζάρη Φυσικός Τριμελής επιτροπή Επιβλέπουσα καθηγήτρια: Ελένη Χριστοπούλου Μαυρομιχαλάκη, Ομότιμη Καθηγήτρια Πρόεδρος καθηγήτρια: Πολυξένη Νικολοπούλου Σταμάτη, Καθηγήτρια Μέλος καθηγητής: Νικόλαος Καβαντζάς, Καθηγητής 1 ΑΘΗΝΑ 2017

3 Στην καθηγήτριά μου, κα Ελένη Μαυρομιχαλάκη Για όλα. 2

4 Πρόλογος Η παρούσα εργασία αποτελεί διπλωματική εργασία στα πλαίσια των σπουδών μου στο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Περιβάλλον και Υγεία. Διαχείριση κρίσεων με επιπτώσεις στην Υγεία Environment and Health. Capacity building for decision making» της Ιατρικής Σχολής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Η εργασία εκπονήθηκε στο Σταθμό Κοσμικής Ακτινοβολίας του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών, υπό την επίβλεψη της ομότιμης καθηγήτριας και επιστημονικής υπεύθυνης του Σταθμού Κοσμικής Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου Αθηνών κ. Ελένης Χριστοπούλου Μαυρομιχαλάκη, της καθηγήτριας και επιστημονικής υπεύθυνης του ΠΜΣ κ. Πολυξένης Νικολοπούλου - Σταμάτη και του καθηγητή και διευθυντή του ΠΜΣ κ. Νικολάου Καβαντζά. Η εργασία αυτή πραγματεύεται την ποιοτική και ποσοτική μελέτη των δόσεων ακτινοβολίας που προσλαμβάνουν τα πληρώματα κατά τη διάρκεια αεροπορικών πτήσεων λόγω φαινομένων της κοσμικής ακτινοβολίας, μέσω της χρήσης διάφορων ήδη υπαρχουσών εφαρμογών, αλλά και την ανάπτυξη μιας νέας εφαρμογής που ονομάστηκε DYASTIMA. Θα ήθελα να εκφράσω τις ειλικρινείς ευχαριστίες μου στην κ. E. Μαυρομιχαλάκη, κύρια επιβλέπουσα της εργασίας αυτής για το χρόνο, για τις ατελείωτες ώρες συζητήσεων, την προσωπική και επιστημονική καθοδήγηση, την υποστήριξη και τις πολύτιμες συμβουλές καθ όλη τη διάρκεια της φοίτησής μου, τόσο στο Τμήμα Φυσικής όσο και σε αυτό το μεταπτυχιακό πρόγραμμα. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα μέλη της τριμελούς επιτροπής για την υποστήριξή τους. Παράλληλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της Ομάδας Κοσμικής Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου Αθηνών, την Δρ Μαρία Γεροντίδου ΕΔΙΠ του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων για την βοήθειά της στη συλλογή των δεδομένων και τον Δρ Παύλο Πασχάλη επιστημονικό συνεργάτη του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων για την άριστη συνεργασία και την αμέριστη βοήθειά του στην υλοποίηση της εφαρμογής που παρουσιάζεται στην εργασία αυτή. Θα ήταν παράλειψη να μην ευχαριστήσω την Δρ Χριστίνα Πλαϊνάκη, ερευνήτρια του INAF/IAPS Iνστιτούτου της Ρώμης, η οποία ως μέλος της Επιτροπής αξιολόγησης βοήθησε τα μέγιστα στην επιλογή μου για το βραβείο Outstanding Student Poster 2015 της European Geophysical Union στην General Assembly που έγινε στη Βιέννη τον Απρίλιο Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου, τους φίλους μου και το Δημήτρη Κατσινή για την υποστήριξη και τη συμπαράστασή τους, καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας αυτής, και όχι μόνο. 3

5 Περιεχόμενα Εισαγωγή... 6 Abstract... 7 Κεφάλαιο I Κοσμική Ακτινοβολία και Διαστημικός Καιρός Διαστημικός καιρός Κοσμική ακτινοβολία Φάσμα Κοσμικής Ακτινοβολίας Διαμόρφωση Κοσμικής Ακτινοβολίας ετής Ηλιακός Κύκλος ετής Ηλιακός Κύκλος Μείωση Forbush ήμερη Μεταβολή Ημερήσια Ανισοτροπία Επίγεια Επαύξηση της Κοσμικής Ακτινοβολίας Ανίχνευση Κοσμικής Ακτινοβολίας Μετρητής Νετρονίων Παγκόσμιο Δίκτυο Μετρητών Νετρονίων Μετρητής Νετρονίων Πανεπιστημίου Αθηνών Πρόγνωση Διαστημικού Καιρού Σταθμός Αθήνας και Διαστημικός Καιρός Κεφάλαιο II Ακτινοβολία Ακτινοπροστασία Γενικά Μεγέθη δοσιμετρίας Επιπτώσεις ακτινοβολίας στην ανθρώπινη υγεία

6 2.4. Επίδραση κοσμικής ακτινοβολίας στα πληρώματα αεροσκαφών Θεσμικά Πλαίσια Μέθοδοι μέτρησης της ακτινοβολίας σε αεροσκάφη Κεφάλαιο III Συγκριτική μελέτη μοντέλων δόσεων ακτινοβολίας αεροπορικών πτήσεων Υπάρχοντα Μοντέλα Μοντέλο Sievert Μοντέλο Cari Planetocosmics / Magnetocosmics Μοντέλο EPCARD Μοντέλο PCAIRE AVIDOS DYASTIMA-R DYASTIMA DYASTIMA-R Κεφάλαιο IV Συμπεράσματα Προοπτικές Παράρτημα Α Παράρτημα Β Παράρτημα Γ Παράρτημα Δ Παράρτημα Ε Αναφορές

7 Εισαγωγή Η εργασία αυτή έχει ως στόχο τη μελέτη της δόσης ακτινοβολίας που λαμβάνεται τόσο από πληρώματα αεροσκαφών όσο και από επιβάτες κατά τη διάρκεια ήρεμων αλλά και διαταραγμένων περιόδων ηλιακής δραστηριότητας. Η μελέτη αυτή πραγματοποιείται με τη χρήση μοντέλων και εργαλείων προσομοίωσης που έχουν κατασκευαστεί από διεθνείς οργανισμούς. Παράλληλα, παρουσιάζεται σε αρχικό στάδιο μία καινούρια εφαρμογή υπολογισμού δόσεων ακτινοβολίας σε διάφορα ύψη μέσα στην ατμόσφαιρα, η οποία αναπτύχθηκε στα πλαίσια της μελέτης αυτής. Τέλος, γίνεται ανάλυση των επιπτώσεων της κοσμικής ακτινοβολίας και του διαστημικού καιρού στην υγεία πληρωμάτων αεροσκαφών και αναδεικνύεται η αναγκαιότητα πρωτοκόλλου ακτινοπροστασίας. Σημειώνουμε ότι η μελέτη αυτή αποτελεί έναν από τους κύριους στόχους των μελετών και προγραμμάτων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος - ESA SSA project, στο οποίο συμμετέχει η ομάδα κοσμικής ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου Αθηνών ως Expert Group, όπως και του Οργανισμού Διαστήματος των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής-NASA. Η εργασία αναπτύσσεται σε 5 κεφάλαια, με την εξής μεθοδολογία: Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μία γενική παρουσίαση των βασικών χαρακτηριστικών και μεγεθών της Κοσμικής Ακτινοβολίας και του Διαστημικού Καιρού. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής αναφορά των μεγεθών δοσιμετρίας που υπεισέρχονται για τη μελέτη των επιδράσεων της κοσμικής ακτινοβολίας στα πληρώματα αεροσκαφών. Στο τρίτο κεφάλαιο, πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη διαφόρων μοντέλων υπολογισμού δόσεων λόγω κοσμικής ακτινοβολίας, ενώ παράλληλα παρουσιάζεται και μία καινούρια εφαρμογή υπολογισμού των δόσεων ακτινοβολίας για κάθε ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα. Στο τέταρτο κεφάλαιο, δίνονται τα συμπεράσματα και οι παρατηρήσεις που προκύπτουν από την ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων. Στο τέλος της εργασίας παρατίθενται οι Αναφορές, καθώς επίσης και Παραρτήματα με τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν και τον κατάλογο Δημοσιεύσεων. Τμήματα της εργασίας αυτής έχουν ήδη παρουσιαστεί σε διεθνή συνέδρια, όπως το European Geosciences Union Assembly (EGU 2016) στη Βιέννη, το European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2016) στο Τορίνο και στο 50 th Health Physics Society Midyear Meeting στο Maryland. Λέξεις κλειδιά: κοσμική ακτινοβολία, διαστημικός καιρός, ακτινοβολία διαστήματος, ισοδύναμη δόση ακτινοβολίας 6

8 Abstract The purpose of this work is the study of radiation doses received by both aircrew and passengers during quiet and disturbed periods of solar activity. Modeling and simulation tools, manufactured by international organizations, are used for the calculation of these radiation doses. At the same time, a new application for calculating radiation doses at different altitudes in the atmosphere is developed as part of this work and preliminary results are presented. Finally, the effects of cosmic radiation and space weather concerning the aircrews health are analyzed and emphasis is given on the necessity to exist radiation protocol. Parts of this work have been presented in international conferences, such as the European Geosciences Union Assembly (EGU 2016) in Vienna, the European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2016) in Turin and the 50 th Health Physics Society Midyear Meeting in Maryland. Keywords: cosmic radiation, space weather, space radiation, equivalent dose 7

9 Κεφάλαιο I Κοσμική Ακτινοβολία και Διαστημικός Καιρός 1.1. Διαστημικός καιρός Σήμερα οι άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τις αλλαγές του καιρού στη Γη. Αλλά «καιρός» εμφανίζεται επίσης και στο διάστημα. Έτσι, ο ήλιος είναι υπεύθυνος όχι μόνο για τις μεταβολές του καιρού στη Γη, αλλά και για διαταραχές στο διαστημικό που επικρατούν στο διαστημικό χώρο. Ο Ήλιος εκπέμπει μία συνεχή ροή πλάσματος που ονομάζεται ηλιακός άνεμος, ο οποίος καθώς κατευθύνεται προς τη Γη, μπορεί να προκαλέσει μεγάλες μαγνητικές καταιγίδες στο διαστημικό περιβάλλον γύρω από τη Γη, τη μαγνητόσφαιρα και την ανώτερη ατμόσφαιρα. Έτσι, με τον όρο διαστημικός καιρός κάνουμε λόγο για τις συνθήκες που επικρατούν στην μαγνητόσφαιρα της Γης, την ιονόσφαιρα και τη θερμόσφαιρα λόγω του Ήλιου και του ηλιακού ανέμου, που μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία και την αξιοπιστία των διαστημικών και επίγειων τεχνολογικών συστημάτων και υπηρεσιών ή να θέσουν σε κίνδυνο την ανθρώπινη ζωή ή την υγεία. Ο διαστημικός καιρός ασχολείται με φαινόμενα που αφορούν το διαχεόμενο προς τη Γη πλάσμα, τα μαγνητικά πεδία, την ακτινοβολία, τη ροή σωματιδίων στο διαστημικό χώρο και τον τρόπο με τον οποίο τα φαινόμενα αυτά μπορούν να επηρεάσουν τα βιολογικά και τεχνητά συστήματα. Οι διακυμάνσεις του διαστημικού καιρού οφείλονται κυρίως σε ηλιακά φαινόμενα, όπως οι ηλιακές εκλάμψεις και οι στεμματικές εκπομπές μάζας. Εκτός από τον Ήλιο, μη-ηλιακές πηγές, όπως οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, μπορούν να θεωρηθούν ως διαστημικός καιρός καθώς μεταβάλλουν τις συνθήκες του περιβάλλοντος χώρου κοντά στη Γη. Στη σύγχρονη Ευρωπαϊκή και παγκόσμια οικονομία, πολυάριθμοι τομείς ενδέχεται να επηρεαστούν από το διαστημικό καιρό, όπως οι διαστημικές τηλεπικοινωνίες, οι ραδιοτηλεοπτικές εκπομπές, οι μετεωρολογικές υπηρεσίες, οι υπηρεσίες πλοήγησης, η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας και οι επίγειες επικοινωνίες, κυρίως στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη. Οι επιπτώσεις του διαστημικού καιρού παρατηρούνται στην υποβάθμιση της επικοινωνίας, τις επιδόσεις, την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής των διαστημικών σκαφών (Daglis, 2004). Επιπλέον, η αυξημένη ακτινοβολία λόγω διαστημικού καιρού μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση των κινδύνων για την υγεία για τους αστροναύτες που συμμετέχουν σε επανδρωμένες διαστημικές αποστολές. Ο τομέας των αερομεταφορών ενδέχεται επίσης να αντιμετωπίσει βλάβη στα ηλεκτρονικά του αεροσκάφους και ελαφρώς αυξημένες δόσεις ακτινοβολίας σε μεγάλο υψόμετρο του αεροσκάφους κατά τη διάρκεια εκδήλωσης έντονων φαινομένων διαστημικού καιρού. Οι επίγειες επιδράσεις του διαστημικού καιρού περιλαμβάνουν βλάβες στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, αυξημένη διάβρωση των αγωγών και την υποβάθμιση των ραδιοεπικοινωνιών (Mavromichalaki et al., 2007). 8

10 1.2. Κοσμική ακτινοβολία Ως κοσμική ακτινοβολία ορίζεται το σύνολο των σωματιδίων πολύ υψηλών ενεργειών (10 6 ev ev) που προέρχονται από εξωγήινες πηγές εντός ή εκτός του γαλαξία μας (Dorman, 1974). Αποτελείται κυρίως από πρωτόνια (90%), σωμάτια α (9%) και βαρείς πυρήνες (1%) Φάσμα Κοσμικής Ακτινοβολίας Η μεταβολή της έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας ως συνάρτηση της ενέργειας δίνεται από τη σχέση: J(E) = k E γ όπου k και γ σταθερές, με γ 2,5. Η μεταβολή στην κλίση στην περιοχή των ev πιθανόν οφείλεται σε δύο διαφορετικές πηγές των κοσμικών ακτίνων, π.χ. μία γαλαξιακή και μία εξωγαλαξιακή, που περνά η μία μέσα από την άλω και η άλλη μέσα από το δίσκο του γαλαξία και έχουν διαφορετικά φάσματα. Η ροή των κοσμικών ακτίνων με ενέργεια μεγαλύτερη από 1 GeV ελαττώνεται με την αύξηση της ενέργειας, ενώ σωματίδια με ενέργειες μικρότερες από 1GeV/πυρήνα δεν υπακούουν την παραπάνω σχέση καθώς η ροή παύει να αυξάνει όσο ελαττώνεται η ενέργεια. Σωματίδια με τέτοιες ενέργειες μπορούν να φτάσουν στη Γη μόνο σε υψηλά γεωμαγνητικά πλάτη. 9 Εικόνα 1.1: Το ενεργειακό φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας

11 Εικόνα 1.2: Η ηλιόσφαιρα (Πηγή: Οι κοσμικές ακτίνες διακρίνονται σε πρωτογενείς και δευτερογενείς. Η πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία διακρίνεται στις ηλιακές, τις γαλαξιακές και τις ανώμαλες κοσμικές ακτίνες. Οι κύριες πηγές της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας είναι οι σταθεροί αστέρες (π.χ. ο Ήλιος μας), οι καινοφανείς και υπερκαινοφανείς αστέρες, οι αστέρες εκλάμψεων και οι παλλόμενοι αστέρες, όπως και η διαστρική ύλη. Οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες προέρχονται από πηγές εκτός του ηλιακού μας συστήματος και είναι οι πιο ενεργητικές, έχουν δηλαδή ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από 10 GeV. Αποτελούν την κύρια και μόνιμη ροή κοσμικής ακτινοβολίας, καθώς εισέρχονται στο ηλιακό μας σύστημα χωρίς να παρεμποδίζονται από το ηλιακό μαγνητικό πεδίο. Αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια, πυρήνες He (περίπου 7 10 %) και κάποιους βαρύτερους πυρήνες (1%). Οι ηλιακές κοσμικές ακτίνες προέρχονται από τον Ήλιο και πρόκειται για σχετικιστικά σωματίδια με ενέργειες από 1 MeV έως και 10 GeV. Aποτελούνται από πρωτόνια, ηλεκτρόνια, πυρήνες He (10 %) και βαρύτερα ιόντα (<1%). Τέλος, οι ανώμαλες κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από πρωτόνια, He, άνθρακα και οξυγόνο (σε μεγαλύτερο ποσοστό από τον άνθρακα) και προέρχονται από τον διαπλανητικό χώρο πέρα από τα όρια της ηλιόπαυσης. Οι δευτερογενείς κοσμικές ακτίνες προκύπτουν από τις συγκρούσεις των πρωτογενών κοσμικών με τα μόρια των ανώτερων στρωμάτων της γήινης ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα να παράγονται ελαφρότερα θραύσματα από τους αρχικούς πυρήνες. Έτσι, δημιουργούνται οι 10

12 λεγόμενοι «καταιγισμοί» των δευτερογενών σωματιδίων, τα οποία είναι κυρίως πρωτόνια, νετρόνια, ακτινοβολία γ και ηλεκτρόνια, οι οποίοι καταγράφονται από επίγειους μετρητές. Στην επιφάνεια της θάλασσας, η σύσταση της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας είναι μιόνια (80%), ηλεκτρόνια (18%) και πρωτόνια νετρόνια (1-2 %). Η δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία διακρίνεται σε τρεις συνιστώσες: τη νουκλεονική συνιστώσα, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια και είναι η πιο σταθερή συνιστώσα. τη σκληρή ή μεσονική συνιστώσα, που αποτελείται από μιόνια και πιόνια, και είναι πάρα πολύ διεισδυτική. τη μαλακή ή ηλκετρο-φωτονική συνιστώσα, η οποία αποτελείται από ηλεκτρόνια και φωτόνια. Εικόνα 1.3: Καταιγισμός δευτερογενών σωματιδίων στο όριο της ατμόσφαιρας (Πηγή: Διαμόρφωση Κοσμικής Ακτινοβολίας Σε γαλαξιακή κλίμακα, η κοσμική ακτινοβολία εμφανίζει μεγάλη ισοτροπία και σταθερότητα. Παρόλ αυτά, επηρεάζεται έντονα τόσο από τον Ήλιο όσο και από το διαπλανητικό χώρο από τον οποίο διέρχεται μέχρι να φθάσει στη Γη. Η επίδραση αυτή μπορεί να φτάνει ακόμα και σε ηλιοκεντρικές αποστάσεις των 10 AU. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ανισοτροπιών και μεταβολών στο ενεργειακό φάσμα και την ένταση της κοσμικής 11

13 ακτινοβολίας. Ως διαμόρφωση της κοσμικής ακτινοβολίας ορίζεται το σύνολο των μεταβολών αυτής ως συνάρτηση του χώρου, του χρόνου και της ενέργειας (Axford, 1965). Οι μεταβολές της κοσμικής Ακτινοβολίας διακρίνονται σε ισότροπες και ανισότροπες. Οι ισότροπες μεταβολές περιλαμβάνουν τον 11ετή κύκλο, τον 22ετή κύκλο, τις μειώσεις Forbush και την 27ήμερη διαμόρφωση. Οι ανισότροπες μεταβολές περιλαμβάνουν την ημερήσια μεταβολή, την ημιημερήσια μεταβολή καθώς και μικρής κλίμακας μεταβολές, για παράδειγμα επίγειες επαυξήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας. Εικόνα 1.4: Υψομετρική μεταβολή των κύριων συνιστωσών της κοσμικής ακτινοβολίας (Πηγή: ετής Ηλιακός Κύκλος Η ηλιακή δραστηριότητα μεταβάλλεται μέσα σε περίοδο 11 ετών παρουσιάζοντας μία μέγιστη και μία ελάχιστη τιμή. Η ηλιακή δραστηριότητα χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των ηλιακών εκλάμψεων που παρατηρούνται στη χρωμόσφαιρα ή από τις στεμματικές εκπομπές μάζας, ενώ μέτρο της αποτελεί ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων, οι οποίες εμφανίζονται στη φωτόσφαιρα (Hathaway, 2010). Η περιοδικότητα των ηλιακών κηλίδων αποτελεί ουσιαστικά τον 11-ετή Ηλιακό Κύκλο, με τον αριθμό τους να αυξάνεται στο μέγιστο της ηλιακής δραστηριότητας. Κατά τη διάρκεια του ηλιακού κύκλου, μεταβάλλεται το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο με αποτέλεσμα να μεταβάλλονται και τα μέσα χαρακτηριστικά των κοσμικών ακτίνων λόγω της 12

14 μακρόχρονης διαμόρφωσης. Η κοσμική ακτινοβολία παρουσιάζει αρνητική συσχέτιση με την ηλιακή δραστηριότητα, με αποτέλεσμα η ένταση των κοσμικών ακτίνων να παίρνει τη μέγιστη τιμή της στο ελάχιστο του ηλιακού κύκλου και αντίστροφα (Parker, 1965). Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται και με μία χρονική υστέρηση αρκετών μηνών. Εικόνα 1.5: Η αρνητική συσχέτιση κοσμικής ακτινοβολίας και ηλιακής δραστηριότητας με χρήση δεδομένων από μετρητές νετρονίων και δορυφόρους (Πηγή: 13 Εικόνα 1.6: Οι ηλιακοί κύκλοι 23 και 24 (Πηγή: nasa.gov)

15 ετής Ηλιακός Κύκλος Εξαιτίας της αντιστροφής της πολικότητας του ηλιακού μαγνητικού πεδίου, οι περιττοί ηλιακοί κύκλοι διαφοροποιούνται από τους άρτιους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση μιας 22-ετούς περιοδικότητας τόσο στην ηλιακή δραστηριότητα όσο και την κοσμική ακτινοβολία (Gnevyshev and Ohl, 1948). Έτσι, οι περιττοί κύκλοι παρουσιάζουν ένα «μυτερό» μέγιστο, με απότομη άνοδο, μεγάλο χρόνο επαναφοράς και μεγάλη χρονική υστέρηση. Αντίθετα, οι άρτιοι κύκλοι παρουσιάζουν 2 μέγιστα με πεπλατυσμένη κορυφή, απότομη επαναφορά και μικρή χρονική υστέρηση. Χαρακτηριστικά, γίνεται αναφορά στον 23 ο και 24 ο ηλιακό κύκλο. Ο 23 ος ηλιακός κύκλος είχε συνολική διάρκεια περίπου 12,6 χρόνια, ξεκινώντας το Μάιο του 1996 και τελειώνοντας το Νοέμβριο του 2008, με μέγιστο το Στην καθοδική φάση του κύκλου ( ) παρατηρήθηκαν πολλά έντονα φαινόμενα, όπως μαγνητοσφαιρικά γεγονότα, μειώσεις Forbush και επίγειες επαυξήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας (Mavromichalaki et al., 2005). Ανάμεσα στον 23 ο και 24 ο κύκλο, παρατηρήθηκε ένα ιδιαίτερα εκτεταμένο ελάχιστο από το 2006 μέχρι το 2009 με το 2008 και το 2009 να παρουσιάζεται ασυνήθιστα χαμηλή δραστηριότητα (Paouris et al., 2012), με τον 24 ο ηλιακό κύκλο να ξεκινά πρακτικά το 2010 και να κορυφώνεται μόλις το 2012, με το πρώτο μέγιστο. Το δεύτερο μέγιστο ακολούθησε το 2014, ενώ τώρα βρισκόμαστε στην καθοδική του φάση. Πρόκειται για έναν κύκλο με ιδιαίτερα χαμηλή ηλιακή δραστηριότητα (Svalgaard et al., 2005) Μείωση Forbush Η μείωση Forbush αποτελεί βραχύχρονη μεταβολή της κοσμικής ακτινοβολίας, όπου παρατηρείται απότομη ελάττωση της έντασης των κοσμικών ακτίνων τουλάχιστον κατά 5% σε χρονικό διάστημα λίγων ωρών έως δύο ημερών και επάνοδο σε μερικές ημέρες ή εβδομάδες (Forbush, 1937). Η επαλληλία τέτοιων μειώσεων αποτελεί καταιγίδα. Πρόκειται για φαινόμενο παγκόσμιου χρόνου εξωγήινης προέλευσης, οφείλεται σε μηχανισμό ανάλογο με την 11-ετή μεταβολή και εμφανίζεται μετά από μία ηλιακή έκλαμψη. Παρατηρείται σε όλα τα γεωγραφικά πλάτη, με διαφορές που οφείλονται στο κατώφλι μαγνητικής δυσκαμψίας και τις ασυμπτωτικές διευθύνσεις κάθε τόπου ήμερη Μεταβολή Η περιστροφή του Ήλιου γύρω από τον άξονά του (Bartel rotation) διαρκεί 27 ημέρες, προκαλώντας μία αντίστοιχη 27-ήμερη διαμόρφωση στην κοσμική ακτινοβολία (Mavromichalaki et al., 2016). Το ηλιακό μαγνητικό πεδίο προσεγγίζεται από ένα μη ιδανικό 14

16 μαγνητικό πεδίο, του οποίου ο άξονας δεν συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής του ήλιου. Έτσι, κατά μήκος του ηλιακού μαγνητικού ισημερινού, ένα λεπτό στρώμα, που ονομάζεται ηλιοσφαιρικός μανδύας, διαχωρίζει τις αντίθετης πολικότητας μαγνητικές γραμμές. Ο μανδύας αυτός περιστρέφεται μαζί με τον ήλιο με περίοδο κατά μέσο όρο 27 ημέρες (διαφορετική για κάθε ηλιογραφικό πλάτος). Κατά τη διάρκεια των 27 ημερών, η Γη βρίσκεται άλλοτε πάνω και άλλοτε κάτω από τον ηλιοσφαιρικό μανδύα, με αποτέλεσμα ένα παρατηρητής που βρίσκεται στο ίδιο ημισφαίριο της Γης για περίοδο 27 ημερών να παρατηρεί 4 φορές αλλαγές στην πολικότητα του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου, καθώς αυτό περιστρέφεται με τον Ήλιο (σπειροειδής κατά τομείς δομή του μαγνητικού πεδίου). Εικόνα 1.7: Ένα παράδειγμα μείωσης Forbush το Σεπτέμβριο του 2012 (Πηγή: Ημερήσια Ανισοτροπία Η ημερήσια διαμόρφωση των κοσμικών ακτίνων αποτελεί μία ανισότροπη βραχύχρονη μεταβολή τοπικού χρόνου και περιοδικότητας 24 ωρών, καθώς οφείλεται στην περιστροφής της γης γύρω από τον άξονα της και συνεπώς την περιστροφή του κώνου υποδοχής κάθε σταθμού πάνω στην επιφάνεια της γης. Οφείλεται σε πολύπλοκα φαινόμενα που απορρέουν από τη θεωρία μεταφοράς και διάχυσης. Η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας αναπαριστάται με μία ημιτονοειδή συνάρτηση περιόδου 24 ωρών, ενώ κύρια χαρακτηριστικά της ημερήσιας ανισοτροπίας αποτελούν το πλάτος (η μέγιστη ποσοστιαία μεταβολή της έντασης μέσα σε μία ημέρα) και η φάση (η ώρα της ημέρας που παρατηρήθηκε το μέγιστο πλάτος). Τα ανύσματα της ημερήσιας ανισοτροπίας με διάφορους τρόπους, με επικρατέστερη τη χρήση των πολικών διαγραμμάτων πρόσθεσης 15

17 διανυσμάτων, όπου το μήκος κάθε διανύσματος αντιστοιχεί στο πλάτος της έντασης και η γωνία στη φάση. Εικόνα 1.8: Απεικόνιση της ημερήσιας ανισοτροπίας για τα έτη για διάφορους μετρητές νετρονίων (Tezari et al., 2016a; 2016b) Επίγεια Επαύξηση της Κοσμικής Ακτινοβολίας Η επίγεια επαύξηση της κοσμικής ακτινοβολίας (Ground Level Enhancement GLE) αποτελεί μία απότομη αύξηση στο ρυθμό καταμέτρησης των σωματιδίων που καταγράφονται από τους επίγειους ανιχνευτές, λόγω άφιξης σχετικιστικών σωματιδίων ηλιακής προέλευσης (Plainaki et al., 2007). Πρόκειται για έκτακτα γεγονότα διάρκειας λίγων ωρών, τα οποία είναι ιδιαίτερα σπάνια, αλλά αρκετά επικίνδυνα τόσο για τεχνολογικά όσο βιολογικά συστήματα (π.χ. δορυφόροι, αστροναύτες). Έτσι, η έγκαιρη και έγκυρη πρόβλεψή τους είναι απαραίτητη. Σημαντικό εργαλείο για real-time πρόβλεψη των GLEs είναι το GLE-Alert, μία από τις υπηρεσίες που παρέχει ο Σταθμός Κοσμικής Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου της Αθήνας (Mavromichalaki et al., 2007, 2010; Souvatzoglou 2014). Η καταγραφή των φαινομένων αυτών διαφέρει ανάλογα με το κατώφλι μαγνητικής δυσκαμψίας κάθε τόπου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να καταγράφονται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη (στους πόλους το γεωμαγνητικό πεδίο είναι πιο «ανοιχτό» με αποτέλεσμα να μπορούν να καταγραφούν σωματίδια χαμηλότερης ενέργειας) και πολύ πιο σπάνια σε μεσαία ή μικρά γεωγραφικά πλάτη, όπως για παράδειγμα στην Αθήνα. 16

18 Εικόνα 1.9: Ένα παράδειγμα επίγειας επαύξησης της κοσμικής ακτινοβολίας, έτσι όπως καταγράφηκε από επίγειους μετρητές νετρονίων 1.5. Ανίχνευση Κοσμικής Ακτινοβολίας Η ανίχνευση της κοσμικής ακτινοβολίας, λόγω του τόσο ευρέως φάσματος ενεργειών, πραγματοποιείται με τη χρήση διαφόρων ανιχνευτών, όπως διαστημικούς ανιχνευτές (GOES, SOHO, CORONAS-F), ανιχνευτές μπαλόνια, ανιχνευτές ακτινοβολίας Cherenkov και επίγειους μετρητές νετρονίων. Για την ανίχνευση χαμηλών ενεργειών, λόγω μεγάλης ροής, ένας μικρός ανιχνευτής προσαρμοσμένος σε ένα μπαλόνι ή διαστημόπλοιο στα όρια της ατμόσφαιρας είναι ικανοποιητικός, ενώ για μεγαλύτερες ενέργειες χρειάζονται επίγειοι ανιχνευτές μεγαλύτερων διαστάσεων. Ανάλογα με τη συνιστώσα της κοσμικής ακτινοβολίας που καταμετρούν, οι επίγειοι ανιχνευτές διακρίνονται σε κατηγορίες. Για τη νουκλεονική συνιστώσα οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι ανιχνευτές είναι οι μετρητές νετρονίων. Για τη μεσονική συνιστώσα χρησιμοποιούνται οι ανιχνευτές μιονίων οι οποίοι μπορεί να είναι επίγειοι ή υπόγειοι, ενώ τέλος για τη μαλακή συνιστώσα χρησιμοποιούνται οι ανιχνευτές Cherenkov. Οι μετρητές νετρονίων κρίνονται ως ο οικονομικότερος και πιο αξιόπιστος τρόπος για την ανίχνευση των φαινομένων της κοσμικής ακτινοβολίας καθώς έχουν μεγάλη ενεργό διατομή, μπορούν να ανιχνεύουν σωματίδια με μεγάλο εύρος ενεργειών και δεν επηρεάζονται από έντονα γεγονότα ηλιακής προέλευσης, ενώ ταυτόχρονα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, είναι εύκολα προσβάσιμοι και τα δεδομένα τους είναι διαθέσιμα για άμεση επεξεργασία. 17

19 Μετρητής Νετρονίων Οι μετρητές νετρονίων είναι επίγειοι ανιχνευτές που καταγράφουν τη νουκλεονική συνιστώσα της κοσμικής ακτινοβολίας, καθώς επίσης και ηλιακά σωματίδια επαρκούς ενέργειας, και ανιχνεύουν μεταβολές της έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας στην περιοχή των GeV του πρωτογενούς φάσματος. Εικόνα 1.10: Η διάταξη ενός μετρητή νετρονίων (Πηγή: Ένας μετρητής τύπου xnm64 (όπου x ο αριθμός των ανιχνευτών) αποτελείται από τους αναλογικούς απαριθμητές 10 BF 3, τον επιβραδυντή, τον παραγωγό σωματιδίων και τον ανακλαστήρα. Οι αναλογικοί απαριθμητές ΒΡ28 περιέχουν 10 BF 3 εμπλουτισμένο με 10 Β κατά 96% σε πίεση 0.25 atm. Η λειτουργία τους βασίζεται στην εξής αντίδραση: 10 5B n 11 5 B 7 3 { Li + + Q 1 (94%) 7 Li + a + Q 2 (6%) a 4 2 Τα νετρόνια αντιδρούν με το βόριο και παράγεται λίθιο και σωμάτια α. Τα σωμάτια α παρέχουν μία έμμεση μέτρηση για τον αριθμό των νετρονίων. Οι ανιχνευτές περιβάλλονται από τον επιβραδυντή, δηλαδή ένα στρώμα πολυαιθυλενίου το οποίο επιβραδύνει τα νετρόνια με αποτέλεσμα αυτά να γίνονται θερμικά και να ανιχνεύονται πιο εύκολα. Στη συνέχεια, το παραπάνω σύστημα περιβάλλεται από δακτυλίους μολύβδου πολύ υψηλής καθαρότητας (99%). Ο μόλυβδος επιλέχθηκε εξαιτίας του μεγάλου μαζικού αριθμού του. Οι δακτύλιοι αυτοί δρουν ως παραγωγοί σωματιδίων χάρη στο φαινόμενο του βομβαρδισμού και πολλά από τα σωματίδια που παράγονται είναι νετρόνια. Με τον τρόπο αυτό είμαστε σε θέση να ανιχνεύουμε μεγάλες εντάσεις. Τέλος, ολόκληρη η διάταξη περιβάλλεται και πάλι από παχύ στρώμα πολυαιθυλενίου, το οποίο δρα ως ανακλαστήρας για τα νετρόνια χαμηλής ενέργειας που προέρχονται από το περιβάλλον. 18

20 Χαρακτηριστικό μέγεθος ενός μετρητή νετρονίων αποτελεί η μαγνητική δυσκαμψία (R), η οποία καθορίζει την τροχιά που θα διαγράψει ένα φορτισμένο σωματίδιο καθώς διέρχεται από το διαπλανητικό και γήινο μαγνητικό πεδίο ώσπου καταγράφεται στη Γη. Δίνεται από τη σχέση: R = pc Ze = (A Z ) (mγuc e ) (GV) όπου p η σχετικιστική ορμή και Ze το φορτίο του σωματιδίου. Έτσι, σωματίδια με διαφορετική μάζα και φορτίο αλλά με την ίδια δυσκαμψία θα παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά σε οποιαδήποτε διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου. (α) (β) Εικόνα 1.11: Σχηματική απεικόνιση των δυναμικών γραμμών του γεωμαγνητικού πεδίου (α) και της γήινης μαγνητόσφαιρας (β) (Πηγή: nasa.gov) Επίσης, για σωματίδια με την ίδια κινητική ενέργεια, η μαγνητική δυσκαμψία θα παρουσιάζει εξάρτηση μόνο από το λόγο Α/Ζ, όπου Α και Ζ ο μαζικός και ατομικός αριθμός του στοιχείου αντίστοιχα. Για στοιχεία μέχρι τον σίδηρο, ο λόγος Α/Ζ είναι περίπου ίσος με 2, οπότε τα στοιχεία αυτά θα παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά εντός του μαγνητικού πεδίου και συνεπώς το ίδιο ενεργειακό φάσμα. Για ενέργειες μεγαλύτερες από την ενέργεια ηρεμίας των σωματιδίων, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων και η μαγνητική δυσκαμψία θα ταυτίζονται αριθμητικά. Κάθε τόπος τώρα πάνω στη Γη, χαρακτηρίζεται από το δικό του κατώφλι κατακόρυφης μαγνητικής δυσκαμψίας (Rc), το οποίο εκφράζει την ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να έχει ένα πρωτογενές σωματίδιο ώστε αυτό να μπορεί να καταγραφεί από τους επίγειους μετρητές. Το Rc είναι διαφορετικό για κάθε τόπο και κυμαίνεται από 0 στους γεωμαγνητικούς πόλους έως 15 στον Ισημερινό της Γης, μειώνεται δηλαδή όσο αυξάνει το γεωγραφικό πλάτος, με αποτέλεσμα ένας πολικός σταθμός να μετράει μεγαλύτερη ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας αλλά και σωματίδια με πολύ μικρές ενέργειες (ηλιακές κοσμικές ακτίνες). Αυτό συμβαίνει επειδή στους πόλους οι μαγνητικές γραμμές του γεωμαγνητικού πεδίου είναι πιο «ανοιχτές», ενώ σε 19

21 μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη, καθώς οι κοσμικές ακτίνες διέρχονται από το γεωμαγνητικό πεδίο, αποκόπτονται τα σωματίδια με δυσκαμψία μικρότερη του κατωφλίου. 0 GV Rc 15 GV Εικόνα 1.12: Τα κατώφλια μαγνητικής δυσκαμψίας ως συνάρτηση της γεωγραφικής θέσης (Πηγή: PLANETOCOSMICS, 2004) Οι ασυμπτωτικές διευθύνσεις υποδοχής αποτελούν μια χαρτογράφηση των επιτρεπόμενων τροχιών των σωματιδίων στο διαστημικό χώρο λίγο πριν από την αλληλεπίδρασή τους με το γεωμαγνητικό πεδίο. Έτσι, κάθε ανιχνευτής έχει μία μοναδική διεύθυνση θέασης στο διάστημα, η οποία είναι συνάρτηση της ενέργειας. Καθώς η Γη περιστρέφεται, θα περιστρέφονται μαζί και αυτές. (α) Εικόνα 1.13: Σχηματική απεικόνιση του ασυμπτωτικού κώνου υποδοχής για έναν σταθμό (α) και γραφική παράσταση των ασυμπτωτικών διευθύνσεων υποδοχής για διάφορες περιοχές της Γης (β) (β) 20

22 Εικόνα 1.14: Τροχιά ενός πρωτονίου ενέργειας 100 MeV κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του γήινου μαγνητικού πεδίου (Πηγή: PLANETOCOSMICS, 2005) Οι ασυμπτωτικές διευθύνσεις υποδοχής υπολογίζονται είτε αριθμητικά είτε με προσομοιώσεις και διάφορα μοντέλα, κυρίως για σωματίδια που προσπίπτουν κάθετα. Για συγκεκριμένη γεωγραφική τοποθεσία και προσπίπτουσα γωνία, η τροχιά ενός σωματιδίου στη μαγνητόσφαιρα θα είναι συνάρτηση της μαγνητικής δυσκαμψίας, με συνέπεια τα σωματίδια με διαφορετικές δυσκαμψίες να προέρχονται από διαφορετικά σημεία της ουράνιας σφαίρας. Έτσι, το τμήμα εκείνο της ουράνιας σφαίρας (στερεά γωνία) που ο ανιχνευτής θα είναι σε θέση να καταμετρά την πλειοψηφία των εισερχόμενων σωματιδίων θα ονομάζεται ασυμπτωτικός κώνος υποδοχής του συγκεκριμένου σταθμού και θα εκφράζει τις ενέργειες ανά νουκλεόνιο που μπορούν να φτάσουν και να καταγραφούν στη συγκεκριμένη περιοχή της ατμόσφιαιρας, ενώ θα επηρεάζεται ισχυρά και από το γεωμαγνητικό πεδίο. Αυτές οι διευθύνσεις μπορούν να υπολογιστούν για κάθε σταθμό νετρονίων(shea and Smart, 1975; Miroshnichenko, 2015) Παγκόσμιο Δίκτυο Μετρητών Νετρονίων Το Παγκόσμιο Δίκτυο Μετρητών Νετρονίων αποτελείται από μετρητές νετρονίων οι οποίοι είναι διασκορπισμένοι σε διάφορα γεωγραφικά μήκη και πλάτη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την καταγραφή του συνόλου του ενεργειακού φάσματος από όλα τα τμήματα της ουράνιας σφαίρας, λόγω του διαφορετικού κατωφλίου μαγνητικής δυσκαμψίας που έχει κάθε τοποθεσία πάνω στη Γη. Με το τρόπο αυτό είναι δυνατή η μελέτη των μεταβολών της έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας και η πρόγνωση διάφορων φαινομένων διαστημικού καιρού. Από το 1997 ήδη, πολλοί ανιχνευτές ξεκίνησαν να λειτουργούν σε τεχνολογία realtime (τεχνολογία πραγματικού χρόνου). Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα η καταγραφή, διόρθωση και 21

23 διάθεση των δεδομένων να γίνεται σε πραγματικό χρόνο, το οποίο παίζει καθοριστικό ρόλο για την άμεση παρατήρηση φαινομένων κοσμικής ακτινοβολίας και την πρόγνωση του διαστημικού καιρού. Εικόνα 1.15: Το σύνολο των ανιχνευτών κοσμικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης (IZMIRAN) Παράλληλα, δημιουργήθηκε η Βάση Δεδομένων Μετρητών Νετρονίων ( το 2009, η οποία παρέχει δεδομένα κοσμικής ακτινοβολίας πραγματικού χρόνου σε ψηφιακή μορφή και γραφήματα. Η βάση αποτελείται από 28 σταθμούς κατανεμημένους στη Γη και συνεχώς διευρύνεται (Steigies, 2012). Η καταγραφή των σχετικιστικών γαλαξιακών και ηλιακών κοσμικών ακτίνων από τους μετρητές νετρονίων (Usoskin et al., 1997) μπορεί να διαδραματίσει ένα ρόλο-κλειδί στην πρόβλεψη των φαινομένων διαστημικού καιρού (μαγνητικές καταιγίδες, στεμματικές εκπομπές μάζας, επίγειες επαυξήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας). Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μία πρόβλεψη διαστημικού καιρού σε πραγματικό χρόνο, πρέπει να χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο δεδομένα πραγματικού χρόνου από ένα δίκτυο μετρητών. Έτσι, η αύξηση του αριθμού των μετρητών νετρονίων που λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο παρέχει μία πολύ καλή βάση για τη χρησιμοποίηση του Παγκοσμίου Δικτύου ως εργαλείο πρόβλεψης της άφιξης των διαπλανητικών μεταβολών στη Γήινη ατμόσφαιρα (Mavromichalaki et al., 2006; Mavromichalaki et al., 2010). 22

24 Μετρητής Νετρονίων Πανεπιστημίου Αθηνών Ο Μετρητής Νετρονίων του Πανεπιστημίου Αθηνών (Athens Neutron Monitor Station - ANEMOS) ανήκει στο Παγκόσμιο Δίκτυο Μετρητών Νετρονίων και είναι ο τέταρτος σε σειρά σταθμός που μπαίνει σε τεχνολογία real-time παρέχοντας ακριβή δεδομένα σε πραγματικό χρόνο διαδικτυακά από το 2000 με ανάλυση έως και 1 sec. Είναι ο μοναδικός σταθμός στην περιοχή των Βαλκανίων και το ανατολικό τμήμα της Μεσογείου, και είναι ιδιαίτερα χρήσιμος τόσο για επιστημονικούς όσο και εκπαιδευτικούς σκοπούς. Ο μετρητής νετρονίων είναι τύπου Super 6NM-64, περιέχει δηλαδή 6 αναλογικούς απαριθμητές 10 BF 3. Στεγάζεται σε ειδικά διαμορφωμένο δωμάτιο στην οροφή του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών, με γεωγραφικές συντεταγμένες ' N ' E, σε υψόμετρο 260 m asl και ατμοσφαιρική πίεση 980 mbar. Το κατώφλι μαγνητικής δυσκαμψίας είναι 8.53 GV, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις του να έχουν μεγάλο ενδιαφέρον για τη μελέτη του διαστημικού καιρού. Εικόνα 1.16: Ο Μετρητής Νετρονίων του Πανεπιστημίου Αθηνών (Πηγή: Τα δεδομένα του μετρητή νετρονίων διορθώνονται με κατάλληλους αλγορίθμους (Paschalis et al., 2012a; 2012b; 2013a; 2013b) και στη συνέχεια παρέχονται ηλεκτρονικά ενώ παράλληλα χρησιμοποιούνται και σε διάφορα εργαλεία μελέτης της διαμόρφωσης της κοσμικής ακτινοβολίας και πρόβλεψης που έχουν αναπτυχθεί από την Ομάδα Κοσμικής Ακτινοβολίας της Αθήνας Πρόγνωση Διαστημικού Καιρού Η πρόβλεψη του διαστημικού καιρού είναι ένα σύνθετο πρόβλημα, λόγω των περίπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ πολλών συστημάτων, όπως του ήλιου και του ηλιακού ανέμου, του μαγνητικού πεδίου και της ατμόσφαιρας της Γης. Έτσι, κρίνεται απαραίτητη όχι 23

25 μόνο η κατανόηση των ηλιακών φαινομένων αλλά και της ανώτερης γήινης ατμόσφαιρας και της απόκρισής της στις μεταβολές του διαστημικού χώρου. Έως και σήμερα, οι περισσότερες προσπάθειες για την πρόγνωση του διαστημικού καιρού έχουν βασιστεί σε μετρήσεις από αισθητήρες δορυφόρων. Οι αισθητήρες αυτοί, όμως, δεν έχουν μεγάλη ενεργό διατομή και δεν μπορούν να ανιχνεύσουν τα πολύ μεγάλης ενέργεια σωματίδια, τα οποία είναι και πρόδρομοι πολλών φαινομένων, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις τους να παρουσιάζουν σημαντικά στατιστικά σφάλματα. Επιπλέον, πολύ συχνά, επηρεάζονται από διάφορες ακραίες εκδηλώσεις του διαστημικού καιρού. Αντίθετα, οι επίγειοι σταθμοί καταγραφής της κοσμικής ακτινοβολίας, όπως οι μετρητές νετρονίων, έχουν μεγάλη ενεργό επιφάνεια και μπορούν να καταγράφουν μεγάλης ενέργειας σωματίδια, με αποτέλεσμα να μπορούν να εντοπίσουν πιο σύντομα ένα μεγάλο γεγονός διαστημικού καιρού. Η λειτουργία πραγματικού χρόνου παρέχει επιπλέον τη δυνατότητα άμεσης επεξεργασίας των δεδομένων και έγκαιρης και έγκυρης πρόβλεψης. Σήμερα, περισσότερα από 50 χρόνια μετά την έναρξη της παρακολούθησης των μεταβολών του διαστημικού καιρού με επίγειους μετρητές νετρονίων και τηλεσκόπια μιονίων, γίνεται σαφές ότι οι μετρήσεις στο επίπεδο του εδάφους σε πραγματικό χρόνο σε συνδυασμό με δεδομένα από δορυφόρους και κατάλληλους υπολογισμούς και προσομοιώσεις μπορούν να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για την πρόγνωση διαστημικού καιρού (Mavromichalaki, 2012). Πολλοί εθνικοί και διεθνείς οργανισμοί ασχολούνται με τη μελέτη και πρόγνωση του διαστημικού καιρού. Χαρακτηριστικά μπορούν να αναφερθούν η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (European Space Agency ESA) και η Εθνική Υπηρεσία Αεροναυπηγικής και Διαστήματος (National Aeronautics and Space Administration NASA), στις οποίες συμμετέχουν ομάδες από όλο τον κόσμο Σταθμός Αθήνας και Διαστημικός Καιρός Ο Μετρητής Νετρονίων της Αθήνας και η Ομάδα Κοσμικής Ακτινοβολίας συμμετέχουν ενεργά στη μελέτη και πρόγνωση του διαστημικού καιρού ως expert group στο πρόγραμμα (Space Situational Awareness SSA) της ESA (Mavromichalaki 2015; 2016), παρέχοντας τις υπηρεσίες του Multi-Station Data και του GLE Alert (πραγματικού χρόνου σύστημα ειδοποίησης έναρξης φαινομένων επίγειων επαυξήσεων της κοσμικής ακτινοβολίας), οι οποίες είναι διαθέσιμες μέσω του ESA Space Weather Portal ( Άλλες υπηρεσίες του Σταθμού είναι η καθημερινή έκδοση δελτίου πρόβλεψης διαστημικού καιρού, καθώς και άλλες εφαρμογές και εργαλεία μελέτης φαινομένων κοσμικής ακτινοβολίας και διαστημικού καιρού. 24

26 Εικόνα 1.17: Οι υπηρεσίες του ANEMOS από το portal της ESA (Πηγή: 25

27 Κεφάλαιο II Ακτινοβολία Ακτινοπροστασία 2.1. Γενικά Οι ιονίζουσες ακτινοβολίες μπορούν να ιονίσουν την ύλη άμεσα (ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια όπως σωματίδια α, πρωτόνια, ηλεκτρόνια) ή έμμεσα (σωματίδια χωρίς φορτίο όπως νετρόνια ή φωτόνια ακτινοβολίας γ ή Χ). Οι έμμεσες ιονίζουσες ακτινοβολίες προκαλούν ιονισμό της ύλης με έμμεσο τρόπο, δηλαδή μέσω ανακρουόμενων πυρήνων ή φορτισμένων σωματιδίων γενικότερα ή μέσω ηλεκτρονίων τα οποία προσλαμβάνουν ενέργεια από αυτές (Αγγελόπουλος και Σακελλίου, 1994). Για την περιγραφή και ποσοτικοποίηση της έκθεσης των ανθρώπων σε ιονίζουσες ακτινοβολίες κρίνεται αναγκαίος ο ορισμός συγκεκριμένων ποσοτήτων και μονάδων. Αυτό πραγματοποιείται εδώ και πολλά χρόνια από τη Διεθνή Επιτροπή Μονάδων και Μετρήσεων Ακτινοβολίας (International Commission on Radiation Units & Measurements - ICRU) και τη Διεθνή Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (International Commission on Radiological Protection - ICRP). Η έκθεση του ανθρώπου σε ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί να προκύψει από προσπίπτουσα ακτινοβολία στο ανθρώπινο σώμα (εξωτερική έκθεση) ή από ραδιονουκλίδια που ενσωματώνονται στο σώμα (εσωτερική έκθεση). Για την έκθεση των πληρωμάτων αεροσκαφών ή διαστημικών σκαφών η εσωτερική έκθεση έχει αμελητέα σημασία, οπότε δίνεται έμφαση στην έννοια των ποσοτήτων που σχετίζονται με την έκθεση σε εξωτερική ακτινοβόληση. Κατά το παρελθόν, ο ορισμός των ειδικών αυτών ποσοτήτων για την προστασία του ανθρώπου από τις ακτινοβολίες εξέταζε κυρίως τις καταστάσεις επαγγελματικής και δημόσιας έκθεσης στη Γη κι επικεντρωνόταν στην έκθεση σε φωτόνια, ηλεκτρόνια, νετρόνια, και σωματίδια α ύστερα από εσωτερική έκθεση, ενώ και οι ποσότητες προστασίας που ορίζονταν αφορούν κυρίως καταστάσεις χαμηλής δόσης και χαμηλών ρυθμών δόσης. Καθορισμένα όρια προβλέπονται σε σχέση με τις ποσότητες αυτές προκειμένου να περιοριστεί η πιθανότητα εμφάνισης στοχαστικών αποτελεσμάτων στον άνθρωπο σε ένα αποδεκτό επίπεδο και να αποφεύγονται τα ντετερμινιστικά αποτελέσματα (αντιδράσεις ιστών). Οι καταστάσεις όμως έκθεσης στο εναέριο ή διαστημικό χώρο είναι διαφορετικές από εκείνες του γήινου περιβάλλοντος, κυρίως λόγω των μεγάλων διαφορών στα πεδία ακτινοβολίας και του υψηλότερου περιβαλλοντικού ρυθμού δόσης σε σχέση με τη Γη, με συνέπεια η πιθανότητα για στοχαστικές συνέπειες να αυξάνεται και τα στοχαστικά αποτελέσματα με τη σειρά τους να μην μπορούν να αποκλειστούν. Η υψηλή συνεισφορά των βαρέων ιόντων από γαλακτικές κοσμικές ακτίνες και των δευτερογενών ακτινοβολιών στις δόσεις στο ανθρώπινο σώμα χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή και διαφορετική προσέγγιση. 26

28 Οργανώσεις που δραστηριοποιούνται σε εναέριες και διαστημικές αποστολές, όπως το Εθνικό Συμβούλιο Ακτινοπροστασίας και Μετρήσεων Ακτινοβολίας (National Council on Radiation Protection and Measurements NCRP) έχουν ήδη ορίσει λεπτομερείς διαδικασίες για την αξιολόγηση της έκθεσης του ανθρώπου κατά τη διάρκεια των πτήσεων (NCRP, 2000, 2002). Αυτό που ενδιαφέρει είναι όχι μόνο ο καθορισμός των ατομικών δόσεων, αλλά και η αξιολόγηση των επιμέρους κινδύνων (risk assessment) λόγω των δόσεων αυτών. Τα πληρώματα των αεροσκαφών ή διαστημικών σκαφών μπορούν να αντιμετωπίζονται ως άτομα ή ως μέλη των μικρών ομάδων. Παράλληλα, πληροφορίες σχετικά με το φύλο και την ηλικία μπορούν να εφαρμοστούν ως κριτήρια για τον καθορισμό της επιτρεπόμενης δόσης, ενώ καλύτερη πληροφόρηση σχετικά με το μέγεθος και το σχήμα των οργάνων κάθε ατόμου ενδέχεται να παρέχει τη δυνατότητα εφαρμογής εξατομικευμένων παραγόντων ευαισθησίας στη δόση π.χ. στο υπό αξιολόγηση όργανο, εφόσον χρειάζεται να προσδιοριστούν συγκεκριμένοι κίνδυνοι (Atwell, 1994; Bahadori et al, 2011, 2012) Μεγέθη δοσιμετρίας Το σύστημα των διαφόρων μεγεθών και ποσοτήτων δόσης σχετικά με την ακτινοπροστασία που ορίζεται από τις ICRP και ICRU και γενικά χρησιμοποιείται σε καταστάσεις στη Γη και σε αεροπορικές πτήσεις σε κανονικά υψόμετρα περιλαμβάνει τόσο μεγέθη προστασίας (protection quantities) όσο και λειτουργικά μεγέθη (operational quantities). Τα μεγέθη προστασίας (π.χ. ισοδύναμη δόση σε ένα όργανο ή ιστό, ενεργός δόση) βασίζονται στις μέσες απορροφώμενες δόσεις στα όργανα και τους ιστούς του ανθρώπινου σώματος, και μπορεί να σχετίζονται με τους κινδύνους της έκθεσης σε ιονίζουσας ακτινοβολία. Τα λειτουργικά μεγέθη (π.χ. περιβαλλοντική ισοδύναμη ή προσωπική ισοδύναμη δόση) ορίζονται για χρήση σε μετρήσεις που επιτρέπουν να γίνει πιο αποτελεσματική η αξιολόγηση της δόσης σε ανθρώπινα όργανα ή ιστούς που γενικά δεν είναι μετρήσιμη. Σε γενικές γραμμές, η ακτινοπροστασία ασχολείται με τον έλεγχο της έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία, έτσι ώστε να υπάρχει πρόληψη των αντιδράσεων των ιστών και η επιβάρυνση από τις στοχαστικές επιδράσεις να περιορίζεται σε αποδεκτά επίπεδα. Τα θεμελιώδη μεγέθη προστασίας βασίζονται στη μέση απορροφώμενη δόση που αποδίδεται σε όργανα και ιστούς του ανθρώπινου σώματος. Αυτές οι ποσότητες έχουν σχεδιαστεί με τέτοι τρόπο ώστε να επιτρέπεται η ποσοτικοποίηση της έκθεσης στην ιονίζουσα ακτινοβολία τόσο σε ολική ή μερική σωματική ακτινοβόληση (ICRP, 1991, 2007). Οι εκτιμώμενες δόσεις μπορούν στη συνέχεια να συγκριθούν με τα συνιστώμενα όρια δόσης (π.χ. για επαγγελματικά εκτιθέμενα άτομα) ή, αν πρόκειται για υψηλότερες δόσεις, οι μέσες απορροφώμενες δόσεις στα όργανα και τους ιστούς μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του κινδύνου εμφάνισης καρκίνου ή άλλων επιπτώσεων. Τα μεγέθη αυτά παρουσιάζονται σε διάγραμμα ροής στην Εικόνα 2.1. Παρόλα αυτά, οι ποσότητες προστασίας που ορίζεται από τις μέσες δόσεις οργάνου ή ιστού στο ανθρώπινο σώμα δεν αποτελούν μετρήσιμα μεγέθη στην πράξη και, ως εκ τούτου, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως ποσότητες ελέγχου κατά την ακτινοβόληση. Για τις μετρήσεις 27

29 της ακτινοβολίας σε καταστάσεις εξωτερικής έκθεσης (περιοχή ή ατομική παρακολούθηση), έχουν οριστεί συγκεκριμένα λειτουργικά μεγέθη από την ICRU (1985, 1988, 1993b, 2001). Σε χαμηλές δόσεις, οι τιμές των ποσοτήτων αυτών λαμβάνονται ως επαρκώς ακριβείς εκτιμήσεις της ενεργού δόσης ή της δόση στο δέρμα ή το φακό του ματιού, αν οι τιμές τους βρίσκονται κάτω από τα συνιστώμενα όρια επαγγελματικής έκθεσης. Βάση για τον ορισμό των μεγεθών αυτών είναι η ισοδύναμη δόση. Πιο συγκεκριμένα για την παρακολούθηση μιας περιοχής σε ένα πεδίο ακτινοβολίας χρησιμοποιείται η ισοδύναμη δόση σε ένα σημείο σε ένα απλό ομοίωμα, την ICRU σφαίρα. Πρόκειται για σφαίρα με υλικό ισοδύναμο του ιστού με 30 εκατοστά σε διάμετρο, ICRU (μαλακού) ιστού με πυκνότητα 1 g cm; 3, μάζα με σύνθεση 76,2% οξυγόνο, 11.1% άνθρακα, 10,1% υδρογόνο και 2,6% άζωτο. Εικόνα 2.1: Τα δοσιμετρικά μεγέθη που συνιστώνται από την ICRP για την προστασία από ακτινοβολίες (ICRP, 2007) Παρακάτω αναφέρονται τα βασικά δοσιμετρικά μεγέθη. 28

30 Ενέργεια Ακτινοβολίας, R Αν έχουμε Ν σωματίδια ενέργειας Ε τα οποία εκπέμπονται, μεταφέρονται ή προσλαμβάνονται τότε η ακτινοβόλος ενέργεια ή αλλιώς ενέργεια ακτινοβολίας R θα δίνεται από τη σχέση: R = N E Μονάδα μέτρησης της R είναι το Joule (J). Ροή Σωματιδίων, N Ως ροή σωματιδίων N ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολής των σωματιδίων dn ως προς το χρόνο dt και έχει μονάδες μέτρησης το sec 1 : N = dn dt ενώ ως πυκνότητα ροής Φ ορίζεται το πηλίκο του αριθμού των σωματιδίων dn που εισέρχονται σε σφαρικό πεδίο ακτινοβολίας διατομής da, με μονάδα σωματίδιο m 2 : Φ = dn da Ενεργός Διατομή Βασικό μέγεθος για τη μελέτη των διαφόρων μηχανισμών αλληλεπίδρασης ενός πεδίου ιονιζουσών ακτινοβολιών με την ύλη, και συνεπώς της μεταφοράς ενέργειας στην ύλη λόγω της ακτινοβολίας αυτής είναι η ενεργός διατομή. Ορίζεται ως το πηλίκο της πιθανότητας Ρ αλληλεπίδρασης ενός στόχου προσβαλλόμενου από σωματίδια με πυκνότητα ροής Φ προς την πυκνότητα αυτή: σ = Ρ Φ = Ρ da dn Η τιμή του Ρ καθορίζεται από την ενέργεια και το είδος των σωματιδίων αλλά και από τα χαρακτηριστικά του στόχου. Το Ρ και το dn είναι αδιάστατα μεγέθη οπότε μονάδα μέτρησης της σ είναι το barn (b) με 1 b = m 2. 29

31 Γραμμικά Μεταφερόμενη Ενέργεια, LET Η LET προσδιορίζει την ενέργεια που μεταφέρεται (ή εναποτίθεται) λόγω ακτινοβολίας στην ύλη ανά μονάδα μήκους διαδρομής της ακτινοβολίας εντός της ύλης. LET = de Δ dl όπου de Δ είναι η ενέργεια που χάνει ένα φορτισμένο σωματίδιο όταν διασχίζει απόσταση dl μέσα στο υλικό, λόγω συγκρούσεων με τα ηλεκτρόνια του υλικού. Από την ενέργεια αυτή έχει αφαιρεθεί το άθροισμα των κινητικών ενεργειών όλων των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται λόγω της διέλευσης του φορτισμένου σωματιδίου. Μονάδα μέτρησης είναι το J m 1 ή το ev m 1. Το βιολογικό αποτέλεσμα της ακτινοβολίας εξαρτάται άμεσα από το LET. Για παράδιγμα θεωρούμε τις τροχιές δύο σωματιδίων διαφορετικού LET, ενός σωματιδίου α (υψηλό LET) κι ενός ηλεκτρονίου (μικρό LET) των οποίων οι τροχιές διέρχονται από την ύλη, π.χ. από ένα μεγαλομόριο DNA. Κατά μήκος της τροχιάς του σωματίου α οι ιονισμοί και οι διεγέρσεις που λαμβάνουν χώρα απέχουν μικρές αποστάσεις μεταξύ τους με αποτέλεσμα να πραγματοποιείται απόθεση σημαντικής ποσότητας ενέργειας η οποία μπορεί να οδηγήσει σε βλάβες στο DNA. Αντίθετα τα σημεία εναπόθεσης ενέργειας για το ηλεκτρόνιο απέχουν σχετικά μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους. Συνεπώς υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα να μη γίνει εναπόθεση ενέργειας στο DNA. Εναπόθεση και Μεταφορά Ενέργειας στην Ύλη Η ενέργεια ακτινοβολίας ενός πεδίου αλληλεπιδρά με την ύλη οπότε και μετατρέπεται σε σε ενέργεια δευτερογενών ιονισμένων σωματιδίων. Τμήμα της ενέργειας αυτής εναποτίθεται τελικά στην ύλη. Η εναποτιθέμενη ενέργεια ε i στο σημείο αλληλεπίδρασης δίνεται από τη σχέση: ε i = ε in ε out + Q όπου ε in η ενέργεια μεταφοράς του εισερχόμενου σωματιδίου στο σημείο αλληλεπίδρασης, ε out το άθροισμα των ενεργειών των ιονισμένων σωματιδίων που εξέρχονται από το σημείο αλληλεπίδρασης και η Q συνολική μεταβολή της ενέργειας ηρεμίας του συνόλου των σωματιδίων που συμμετέχουν στην αλληλεπίδραση. Για θετικές τιμές του Q η συνολική ενέργεια ηρεμίας ελαττώνεται ενώ για αρνητικές τιμές αυξάνεται. Στον υπολογισμό των ε in, ε out εξαιρούνται οι ενέργειες ηρεμίας των σωματιδίων. 30

32 Το άθροισμα όλων των εναποτιθέμενων ενεργειών ε i που πραγματοποιούνται σε έναν όγκο αντιστοιχεί στην προσλαμβανόμενη ενέργεια ε: ε = ε i i ενώ η μέση προσλαμβανόμενη ενέργεια ε από την ύλη για συγκεκριμένο όγκο θα είναι η: ε = R in R out + Q όπου R in και R out η ενέργεια ακτινοβολίας όλων των φορτισμένων και μη ιονισμένων ωματιδίων που εισέρχονται και εξέρχονται στον όγκο αντίστοιχα και Q το άθροισμα των μεταβολών των ενεργειών ηρεμίας των πυρήνων και των σωματιδίων μέσα στον όγκο αυτό. Απορροφούμενη Δόση, D Στη βιολογία, την κλινική ακτινολογία και την ακτινοπροστασία, η απορροφούμενη δόση αποτελεί τη θεμελιώδη φυσική ποσότητα της δόσης. Χρησιμοποιείται για όλους τους τύπους ιονίζουσας ακτινοβολίας και για οποιαδήποτε γεωμετρία ακτινοβολίας. Ως απορροφούμενη δόση D ορίζεται η ενέργεια που εναποτίθεται ανά μονάδα μάζας του ακτινοβολούμενου υλικού και δίνεται από τη σχέση: D = dε dm όπου dε η τιμή που αντιστοιχεί στη μέση τιμή της ενέργειας που προσλαμβάνεται από την ύλη και dm η μάζα που αντιστοιχεί σε ένα στοιχειώδη όγκο του υλικού που ακτινοβολείται. Η απορροφούμενη δόση λαμβάνει υπόψη το πεδίο ακτινοβολίας μέσα και έξω από τον καθορισμένο όγκο μάζας dm, και ως εκ τούτου όλα τα φορτισμένα σωματιδία που παρήχθησαν μέσα ή πρόκειται να εισέλθουν σε αυτό τον όγκο. Η τιμή της προέρχεται από τη μέση τιμή της στοχαστικής ποσότητας ενέργειας που μεταδίδεται, ε, και δεν αντικατοπτρίζει τις τυχαίες διακυμάνσεις των γεγονότων αλληλεπίδρασης στον ιστό. Σε γενικές γραμμές, αποτελεί μετρήσιμη ποσότητα και υπάρχουν ποικίλα πρότυπα που επιτρέπουν τον προσδιορισμό της με μέτρηση. Μονάδα μέτρησης της απορροφούμενης δόσηςείναι το Gray (Gy), ενώ παλιότερα χρησιμοποιούνταν και το rad, όπου 1 Gy = 1 J kg 1 = 100 rad. Ο ρυθμός μεταβολής της απορροφούμενης δόσης D ορίζεται ως εξής: 31 D = dd dt ( Gy sec )

33 ενώ η μέση απορροφούμενη δοσή ενός ιστού ή οργάνου D T δίνεται από τη σχέση: D T,R = E T,R m T με την E T,R να αντιστοιχεί στην ολική ενέργεια που εναποτίθεται στον ιστό ή το όργανο και m T η ολική μάζα του ιστού ή οργάνου. Στην ακτινοπροστασία, το κύριο ενδιαφέρον δεν στρέφεται στην απορροφώμενη δόση σε ένα σημείο στο ανθρώπινο σώμα, αλλά στην απορροφώμενη μέση δόση σε έναν ιστό ή του όγκο του οργάνου. Η μέση απορροφούμενη δόση, D T,R σε ένα Τ όργανο ή ιστό λόγω της ακτινοβολίας τύπου R είναι η βασική ποσότητα για τον καθορισμό των μεγεθών προστασίας (ισοδύναμη δόση και ενεργός δόση) που χρησιμοποιείται για την περιγραφή της έκθεσης σε χαμηλές δόσεις ή ρυθμούς δόσεων όπου στοχαστικές επιπτώσεις είναι κυρίαρχες. Σε ένα μεικτό πεδίο ακτινοβολίας, η μέση απορροφώμενη δόση, D T, σε ένα Τ όργανο ή ιστό δίνεται από τη σχέση: D T = D T,R R Η μέση απορροφώμενη δόση δεν είναι πάντα αντιπροσωπευτική της τοπικά απορροφώμενης δόσης σε ένα όργανο ή ιστό (π.χ. για ακτινοβολία χαμηλής διεισδυτικότητας). Για έντονα διεισδυτική ακτινοβολία, ωστόσο, η κατανομή της μέσης απορροφώμενης δόσης στα περισσότερα όργανα μπορεί να είναι επαρκώς ομοιογενής, και έτσι η μέση απορροφώμενη δόση είναι γενικά ένα κατάλληλο μέτρο καθορισμού της δόσης σε όλο το όργανο ή ιστό. Σχετική Βιολογική Δραστικότητα, RBE Χρησιμοποιείται προκειμέμου να γίνει σύγκριση των βιολογικών αποτελεσμάτων που προκύπτουν από ακτινοβολίες με διαφορετικό LET. Εξαρτάται, λοιπόν, κυρίως από τη LET, συνεπώς από το είδος και την ενέργεια της ακτινοβολίας αλλά και από το ακτινοβολούμενο βιολογικό υλικό. Παράγοντας Βαρύτητας Ακτινοβολίας, w R Πρόκειται για αδιάστατο παράγοντα οι τιμές του οποίου βασίζονται σε τιμές των RBE και LET και έχουν προκύψει από in vivo μελέτες σε ζώα και συχνά αναφέρονται κυρίως στο νερό, το οποίο προσωμοιάζει βιολογικό ιστό. Παρατηρείται αύξηση του w R με την αύξηση της LET. 32

34 Είδος ακτινοβολίας Παράγοντας βαρύτητας ακτινοβολίας, w R Φωτόνια (γ και Χ) 1 Ηλεκτρόνια (β) και μιόνια 1 Πρωτόνια και φορτισμένα μιόνια 2 Σωμάτια α, θραύσματα, βαρέα ιόντα 20 Νετρόνια, με Ε n < 1 MeV e [ln(e n )]2 6 Νετρόνια, με 1 MeV E n 50 MeV e [ln(2e n )]2 6 Νετρόνια, με E n > 50 MeV e [ln(0.04e n )]2 6 Πίνακας 2.1: Διάφορα είδη ακτινοβολίας με τους αντίστοιχους παράγοντες βαρύτητας (Πηγή: ICRP, 2013) Ισοδύναμη Δόση, H T,R Οι βιολογικές επιδράσεις των ιονιζουσών ακτινοβολιών, δηλαδή οι επιπτώσεις σε μοριακό, κυτταρικό και οργανισμικό επίπεδο, εξαρτώνται από την ισοδύναμη δόση H T,R η οποία δίνεται από τη σχέση H T,R = w R D T,R όπου w R ο παράγοντας βαρύτητας της ακτινοβολίας και D T,R η μέση ακτινοβολούμενη δόση ιστού ή οργάνου. Μονάδα μέτρησης είναι το Sievert (Sv) όπου 1 Sv = J kg 1. Σε περίπτωση που υπάρχει έκθεση σε πεδίο ακτινοβολιών με διαφορετικούς τύπους και ενέργειες, τότε η ολική ισοδύναμη δόση H T υπολογίζεται ως άθροισμα των επιμέρους ισοδύναμων δόσεων H T,R H T = w R D T,R R Παράγοντας Βαρύτητας Ιστού, w T Η πιθανότητα εμφάνισης στοχαστικών αποτελεσμάτων ύστερα από ακτινοβόληση εξαρτάται από το είδος του ιστού ή οργάνου που ακτινοβολήθηκε. Έτσι, ως w T ορίζεται ο παράγοντας που σταθμίζει επιπλέον τη σταθμισμένη δόση ως προς το όργανο ή τον ιστό. Οι τιμές του είναι τέτοιες ώστε μία ομοιογενής ολόσωμη δόση ακτινοβολίας να δίνει ενεργό δόση ίση αριθμητικά με αυτή την ισοδύναμη δόση και για τον προσδιορισμό τους λαμβάνονται υπ 33

35 όψη τόσο ο ρυθμός θανάτων λόγω προκαλούμενου καρκίνου και η απώλεια ετών ζωής όσο και η συνεισφορά κληρονομικών αλλοιώσεων και μη θανατηφόρων καρκίνων. Όργανο / Ιστός Πνεύμονες, στομάχι, κόλον, μαστοί, μυελός των οστών, επινεφρίδια, χοληδόχος κύστη, καρδιά, νεφρά, μύες, πάγκρεας, σπλήνα, θύμος αδένας, λεμφαδένες, λεπτό έντερο, στοματικός βλεννογόνος, προστάτης, μήτρα / τράχηλος Παράγοντας Ολική Βαρύτητας Ιστού, w T Συνεισφορά Γονάδες (όρχεις, ωοθήκες) Ουροδόχος κύστη, ήπαρ, οισοφάγος, θυρεοειδής αδένας Εγκέφαλος, επιφάνεια οστών, δέρμα, σιελογόνοι αδένες Πίνακας 2.2: Ο παράγοντας βαρύτητας ιστού για διάφορα όργανα (Πηγή ICRP ; 103) Ενεργός Δόση, E Ως ενεργός δόση ορίζεται η διπλά σταθμισμένη μέση απορροφούμενη δόση όλων των ιστών και οργάνων που έχουν υποστεί ακτινοβόληση και δίνεται από τη σχέση: E = w T w R D T,R T R Ουσιαστικά αποτελεί τη απορροφούμενη δόση εκείνη η οποία αν λαμβανόταν ομοιόμορφα από ολόκληρο το σώμα θα προκαλούσε τα συγκεκριμένα στοχαστικά αποτελέσματα με την πραγματική ακτινοβόληση. Πρόκειται για μέθοδο που χρησιμοποιεί ομοίωμα ανθρώπου και για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση τεχνικών υπολογισμού και λαμβανόμενων μέτρων ακτινοπροστασίας. Συλλογικό Ισοδύναμο Δόσης Ακτινοβολίας, S T Το συλλογικό ισοδύναμο δόσης S T χρησιμοποιείται για τη μελέτη των βλαβερών επιδράσεων της ακτινοβόλησης και της κατανομής της σταθμισμένης δόσης σε έναν πληθυσμό. Υπολογίζεται από τη σχέση: 34 S T = H T,i N i i

36 όπου το H T,i αντιστοιχεί στη μέση ισοδύναμη δόση ακτινοβολίας ενός ιστού ή οργάνου, το i στην ομάδα του πληθυσμού που βρίσκεται υπό μελέτη και το N i στον αριθμό ατόμων της ομάδας αυτής. Μονάδα μέτρησης είναι το mansv. Συνοπτικά, λοιπόν, μπορούμε να πούμε ότι: Η απορροφούμενη δόση χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της πιθανότητας πρόκλησης βιοχημικών αλλαγών σε συγκεκριμένους ιστούς (ενέργεια ανά μονάδα μάζας). Η ισοδύναμη δόση χρησιμοποιείται για να αξιολογήσει πόση βιολογική βλάβη αναμένεται λόγω της απορροφώμενης δόσης, αφού διαφορετικοί τύποι ακτινοβολίας έχουν διαφορετικές επιβλαβείς ιδιότητες (απορροφούμενη δόση σταθμισμένη ως προς το είδος της ακτινοβολίας). Η ενεργός δόση χρησιμοποιείται για να αξιολογηθεί η πιθανότητα ενδεχόμενων μακροπρόθεσμων επιπτώσεων στο μέλλον (ισοδύναμη δόση σταθμισμένη για τη βιολογική επίπτωση της ακτινοβολίας στους διάφορους ιστούς του σώματος) Επιπτώσεις ακτινοβολίας στην ανθρώπινη υγεία Όλα τα βιολογικά συστήματα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στην επίδραση των ακτινοβολιών, λόγω της πολυπλοκότητας και της ιδιαιτερότητας των ιδιοτήτων τους. Ο πιο ευαίσθητος στόχος στο κύτταρο είναι το γενετικό υλικό, στο οποίο είναι αποθηκευμένες όλες οι πληροφορίες για τον έλεγχο του συνόλου των κυτταρικών δραστηριοτήτων που αφορούν στην εύρυθμη λειτουργία και πολλαπλασιασμό του κυττάρου. Αλλοίωση στη δομή του DNA μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το συνεχή πολλαπλασιασμό του ανώμαλου κυττάρου, αν πρόκειται για ένα σωματικό κύτταρο (με επίδραση στη ζωή και ανάπτυξη του οργανισμού) ή τη μετάδοση της αλλοίωσης αυτής σε επόμενη γενιά, αν πρόκειται για γενετικό κύτταρο (UNSCEAR, 2000). Τα στάδια δράσης της ακτινοβολίας διακρίνονται σε φυσικό, φυσικοχημικό, βιοχημικό και βιολογικό επίπεδο. Οι φυσικοί παράγοντες είναι αυτοί που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας, όπως το είδος, η ένταση, η ενέργεια και το LET, και τα χαρακτηριστικά των φορτισμένων σωματιδίων που απελευθερώνονται, όπως η τροχιά. Έστω ότι αλληλεπιδρά Χ ή γ ακτινοβολία με βιολογική ύλη. Τότε, αρχικά ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό στη συνέχεια εναποθέτει την ενέργεια που απέκτησε στο υλικό ιονίζοντας, διεγείροντας ή σπάζοντας χημικούς δεσμούς. Το αρχικά σκεδαζόμενο φωτόνιο καθώς και η ακτινοβολία πέδης από τα φορτισμένα σωματίδια ενδέχεται να επαναλάβουν την αρχική αλληλεπίδραση με αποτέλεσμα να προκληθούν χημικές αλλαγές στο βιολογικό υλικό. Παρόμοια είναι και η δράση των νετρονίων στη βιολογική ύλη, με τη διαφορά όμως ότι ελευθερώνεται πρωτόνιο ή ελαφρύς πυρήνας και όχι ηλεκτρόνιο στην αρχική αλληλεπίδραση. (Αγγελόπουλος και Σακελλίου, 1994). Αυτή η διαδικασία αποτελεί το φυσικό στάδιο, το οποίο είναι πάρα πολύ γρήγορο. 35

37 Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα το φυσικοχημικό στάδιο κατά το οποίο το νερό των κυττάρων απορροφά την παραπάνω ενέργεια και πραγματοποιούνται διάφορες χημικές αντιδράσεις από τις οποίες παράγονται τρεις ιδιαίτερα δραστικές ρίζες: eaq-, OH-, H+. Κατά τη διάρκεια του βιοχημικού σταδίου, οι ελεύθερες ρίζες αντιδρούν μεταξύ τους ή με άλλα μόρια και σχηματίζονται νέα άτυπα μόρια, μη συμβιβαστά με τη ζωή. Οι ρίζες αυτές επιτίθενται στο γενετικό υλικό προκαλώντας διάφορες πιθανές βλάβες, όπως διαγραφή μίας βάσης, χημικό δεσμό μεταξύ δύο περιοχών του DNA αλλά και σπάσιμο της διπλής έλικας (ιδιαίτερα κρίσιμη βλάβη). Το βιολογικό στάδιο αφορά τον τρόπο που επηρεάζουν τα άτυπα αυτά μόρια τη λειτουργία των κυττάρων ή του οργανισμού. H ακτινοβολία μπορεί να σκοτώσει τα κύτταρα με δύο διακριτούς μηχανισμούς. Ο πρώτος είναι η απόπτωση ή αλλιώς προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος (Little, 1968) Τα κύτταρα που υφίστανται απόπτωση ως άμεση συνέπεια βλάβης λόγω ακτινοβολίας συνήθως πεθαίνουν στο στάδιο της μεσόφαση μέσα σε λίγες ώρες από την ακτινοβόληση, ανεξάρτητα από τη μίτωση. Τα κύτταρα αυτά έχουν διακριτές μορφολογικές αλλαγές, συμπεριλαμβανομένης της απώλειας της κανονικής πυρηνικής δομής και την υποβάθμιση του DNA. Ο αποπτωτικός κυτταρικός θάνατος μπορεί να προκληθεί από την έκθεση σε σχετικά χαμηλές δόσεις ακτινοβολίας σε μερικούς τύπους κυττάρων συμπεριλαμβανομένων των μικρών λεμφοκυττάρων, τύπου Α σπερμογονίων και ωοκυττάρων.2 Ωστόσο, η απόπτωση μπορεί επίσης να είναι μια σημαντική αιτία θανάτου σε μία ευρύτερη ποικιλία κυττάρων που εκτίθενται σε υψηλότερες δόσεις ακτινοβολίας, ιδιαίτερα των αιμοποιητικών ή λεμφοειδούς προέλευσης κυττάρων, καθώς και ορισμένων καρκινικών. Η απώλεια του αποπτωτικού ελέγχου πιστεύεται ότι είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην ανάπτυξη όγκων. Ο δεύτερος μηχανισμός για το θάνατο ενός κυττάρου είναι η επαγόμενη αναπαραγωγική αποτυχία λόγω ακτινοβολίας (Little, 1965). Ακτινοβολία σε επαρκείς δόσεις μπορεί να αναστείλει τη μίτωση, δηλαδή, την ικανότητα του κυττάρου να διαιρείται και να πολλαπλασιάζεται. Η αναστολή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού είναι ο μηχανισμός με τον οποίο η ακτινοβολία σκοτώνει τα κύτταρα των περισσότερων θηλαστικών. Τα αποτελέσματα αυτής της δράσης της ακτινοβολίας στον άνθρωπο συμβαίνουν κυρίως σε ιστούς με υψηλά ποσοστά ανανέωσης που χαρακτηρίζονται από μεγάλο ποσοστό πολλαπλασιαστικής δραστηριότητας, όπως ο μυελός των οστών και ο βλεννογόνος του στομάχου και του λεπτού εντέρου. Οι μεταλλαξιογόνες επιδράσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας περιγράφηκαν για πρώτη φορά από το Η κύρια συνέπεια των μεταλλάξεων που προκαλείται από ακτινοβολία σε ανθρώπινους πληθυσμούς είναι οι κληρονομικές γενετικές επιδράσεις που προκύπτουν από μεταλλάξεις που προκαλούνται στα βλαστικά κύτταρα (NRCC, 1990). Η ακτινοβολία μπορεί να επάγει δύο τύπους χρωμοσωμικών ανωμαλιών σε κύτταρα θηλαστικών. Οι πρώτες ονομάζονται ασταθείς εκτροπές (unstable aberrations) καθώς είναι συνήθως θανατηφόρες για τα διαιρούμενα κύτταρα. Περιλαμβάνουν αλλαγές όπως ύπαρξη δύο κεντρομερή, κυκλικά χρωμοσώματα, μεγάλες διαγραφές και θραύσματα. Αυτοί οι τύποι των 36

38 εκτροπών δεν επιτρέπουν την ίση κατανομή του γενετικού υλικού στα θυγατρικά κύτταρα. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις, η συχνότητα αυτών των εκτροπών συσχετίζεται με τις κυτταροτοξικές επιδράσεις της ακτινοβολίας (Sankaranarayanan, 2001). Ο δεύτερος τύπος αφορά τις σταθερές εκτροπές (stable aberrations). Αυτές περιλαμβάνουν αλλαγές όπως μικρές διαγραφές, αμοιβαίες μεταθέσεις και ανευπλοειδία, αλλαγές δηλαδή που δεν αποκλείουν την κυτταρική διαίρεση και τον πολλαπλασιασμό. Λόγω διάφορων επανορθωτικών μηχανισμών του κυττάρου, η βλάβη στα χρωμοσώματα μπορεί να διορθωθεί. Οι βλάβες όμως εκείνες που επιδιορθώνονται λανθασμένα και επιβιώνουν είναι υπεύθυνες για τα απώτερα αποτελέσματα των ακτινοβολιών. Τέτοιες μεταβολές μπορούν να μεταφερθούν στις επόμενες γενιές (Kano and Little, 1984; 1985). Εικόνα 2.2: Πιθανές βλάβες της ακτινοβολίας στο DNA (Πηγή: Πέρα από ορισμένα όρια, η ακτινοβολία μπορεί να βλάψει τη λειτουργία των ιστών ή / και οργάνων και μπορεί να έχει οξείες επιδράσεις, όπως ερυθρότητα του δέρματος, τριχόπτωση, εγκαύματα ακτινοβολίας, ή οξύ σύνδρομο ακτινοβολίας. Αυτά τα αποτελέσματα είναι πιο σοβαρά σε υψηλότερες δόσεις και υψηλότερα ποσοστά δόσεων. Για παράδειγμα, το όριο δόσης για το σύνδρομο οξείας ακτινοβολίας είναι περίπου 1 Sv (1000 msv). Εάν η δόση ακτινοβολίας είναι χαμηλή και / ή αποδίδεται σε μακρύ χρονικό διάστημα (χαμηλός ρυθμός δόσης), ο κίνδυνος είναι σημαντικά χαμηλότερος επειδή υπάρχει μια μεγαλύτερη πιθανότητα για αποκατάσταση των ζημιών. Υπάρχει, βέβαια, ο κίνδυνος για εμφάνιση μακροπρόθεσμων αποτελεσμάτων όπως ο καρκίνος, που μπορεί να εμφανιστούν χρόνια ή ακόμη και δεκαετίες αργότερα. Επιδράσεις του τύπου αυτού δεν θα συμβούν πάντα, αλλά η πιθανότητα τους είναι ανάλογη με τη δόση της ακτινοβολίας. Ο κίνδυνος αυτός είναι υψηλότερος για τα παιδιά και τους εφήβους, καθώς είναι πολύ πιο ευαίσθητα στην έκθεση σε ακτινοβολία από ό, τι οι ενήλικες (WHO, 2016). Ιδιαίτερη έμφαση πρέπει να δοθεί και στη δράση των ακτινοβολιών στα έμβρυα λόγω της έντονης κυτταροτοξικότητας και την πιθανότητα εμφάνισης μεταλλάξεων. 37

39 Έτσι, τα πιθανά βιολογικά αποτελέσματα λόγω ακτινοβολίας (ICRP, 1977) χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Τα μη στοχαστικά αποτελέσματα: πρόκειται τα για τα βιολογικά εκείνα αποτελέσματα τα οποία εμφανίζονται όταν η δόση ξεπεράσει μία δόση κατωφλίου. Είναι απίθανο, λοιπόν, να εμφανιστούν σα χαμηλότερες δόσεις, ενώ για δόσεις μεγαλύτερες από τη δόση κατωφλίου, η βλάβη θα είναι σφοδρότερη όσο μεγαλύτερη είναι η δόση. Τα αποτελέσματα αυτά εκδηλώνονται άμεσα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η καταστροφή των αιμοφόρων αγγείων, ο καταρράκτης του οφθαλμού και η ελάττωση της γονιμότητας. Τα στοχαστικά αποτελέσματα: πρόκειται για τα βιολογικά αποτελέσματα εκείνα τα οποία μπορεί να εμφανιστούν τυχαία σε μερικά μόνο άτομα του πληθυσμού, με την πιθανότητα εμφάνισης της βλάβης να συνδέεται με το μέγεθος της δόσης. Για τις επιπτώσεις αυτές δεν υπάρχει δόση κατωφλίου και μπορούν να εκδηλωθούν ακόμα και από μηδενική δόση, ενώ τα αποτελέσματα είναι απώτερα. Σε αυτά περιλαμβάνεται η καρκινογένεση και η γενετική επιβάρυνση. Η λίστα που ακολουθεί περιλαμβάνει την δόση ακτινοβολίας που λαμβάνει ένα μέσο άτομο σε διάστημα ενός χρόνου (EPA, 2015). 1 microsievert (μsv) η ετήσια δόση που λαμβάνει κάποιος που καταναλώνει πολλά θαλασσινά από την Ιρλανδική Θάλασσα 8 μsv η δόση που αντιστοιχεί στην πτήση από του Δουβλίνο στο Λονδίνο 20 μsv η δόση που αντιστοιχεί σε μια ακτινογραφία θώρακα 20 μsv - 1 στο 1,000,000 κίνδυνος εφ όρου ζωής για την ανάπτυξη θανατηφόρου καρκίνου 45 μsv ετήσια δόση από αεροπορικά ταξίδια 240 μsv-ετήσια δόση που οφείλεται στην ραδιενέργεια που περιέχεται στα τρόφιμα 300 μsv μέση ετήσια δόση από την ακτινοβολία γ στο έδαφος 350 μsv μέση ετήσια δόση από την κοσμική ακτινοβολία 540 μsv ετήσια δόση από ιατρικές εξετάσεις 1000 μsv (1 msv) - 1 στις 20,000 κίνδυνος εφ όρου ζωής για την ανάπτυξη θανατηφόρου καρκίνου 2230 μsv (2.23 msv) μέση ετήσια δόση από το ραδόνιο που υπάρχει στα σπίτια και στου εργασιακούς χώρους 3950 μsv (3.95 msv) μέση συνολική ετήσια δόση που οφείλεται σε όλες τις πηγές ιοντίζουσας ακτινοβολίας στην Ιρλανδία 10,000 μsv (10 msv) 1 in 2000 κίνδυνος εφ όρου ζωής για την ανάπτυξη θανατηφόρου καρκίνου. 38 Δόσεις μεγαλύτερες από 1,000,000 μsv (1Sv) για ένα μικρό χρονικό διάστημα προκαλούν άμεσες βλάβες:

40 1,000,000 μsv (1 Sv) Κατώφλι άμεσων επιπτώσεων 2,000,000 μsv (2 Sv) Κατώφλι για πρόωρο θάνατο 4,000,000 μsv (4 Sv) - 50 % πιθανότητα επιβίωσης 6,000,000 μsv (6 Sv) Πρόωρος Θάνατος. Εικόνα 2.3: Τυπικές διαδρομές και η αντίστοιχη ισοδύναμη δόση (Πηγή: Επίδραση κοσμικής ακτινοβολίας στα πληρώματα αεροσκαφών Η ατμόσφαιρα της γης βομβαρδίζεται συνεχώς από ακτινοβολία από ποικίλες πηγές, όπως η ηλιακή κοσμική ακτινοβολία και φορτισμένα σωματίδια που προέρχονται έξω από το ηλιακό μας σύστημα (γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία). Στο έδαφος, η κοσμική ακτινοβολία αποτελεί κατά μέσο όρο περίπου το 15 % του φυσικού υποβάθρου ακτινοβολίας στο οποίο είμαστε όλοι εκτεθειμένοι. Το υπόλοιπο αποτελείται από ραδόνιο (50 %), ακτινοβολία από ορυκτά στο χώμα (20 %), και ακτινοβολία στο σώμα μας από τα τρόφιμα και το νερό (13 %). Αυτά τα ποσοστά διαφέρουν, όπως και η συνολική έκθεση, ανάλογα με τη γεωγραφική θέση, λόγω των διαφορών στη σύνθεση του εδάφους και το υψόμετρο. Η κοσμική ακτινοβολία που φθάνει στην ατμόσφαιρα της γης επηρεάζεται ουσιαστικά από 4 παράγοντες (Enyinna, 2016): τον ηλιακό κύκλο, την ατμόσφαιρα της Γης, τη μαγνητόσφαιρα της Γης (γεωγραφικό πλάτος), το υψόμετρο. 39

41 Εικόνα 2.4: Πηγές και κατανομή της μέσης έκθεσης σε ακτινοβολία (Πηγή: Κατά μέσο όρο, ένα άτομο που ζει στο επίπεδο της θάλασσας λαμβάνει μsv από την κοσμική ακτινοβολία (EPA). Το ιπτάμενο προσωπικό και οι επιβάτες των αεροπορικών πτήσεων, όμως, λαμβάνουν μια πρόσθετη δόση από την κοσμική ακτινοβολία, η οποία εξαρτάται από τη συχνότητα και τη διάρκεια των πτήσεων που έχουν πραγματοποιηθεί. Για άτομα που ταξιδεύουν περιστασιακά η έκθεση αυτή είναι πολύ μικρή. Για εκείνους όμως που πετούν συχνά, όπως τα πληρώματα των αεροσκαφών και κάποιους που ταξιδεύουν για επαγγελματικούς λόγους, η ετήσια έκθεση μπορεί να είναι συγκρίσιμη, ή ακόμη και να υπερβαίνει, με εκείνη των εργαζομένων που εκτίθενται σε ακτινοβολία σε επίγειες βιομηχανίες. Οι υψηλότερες δόσεις σχετίζονται με μακρινές, υπερατλαντικές ή πολικές πτήσεις οι ενώ οι χαμηλότερες δόσεις συνδέονται με μικρής διάρκειας πτήσεις προς την Ευρώπη. Η τυπική συνολική ισοδύναμη δόση λόγω γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας για μια υπερατλαντική πτήση, δηλαδή μεταξύ της Ευρώπης και της Βόρειας Αμερικής, είναι της τάξης των 50 μsv. Το ποσό της κοσμικής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη εξαρτάται από τη δραστηριότητα του ήλιου σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Περιστασιακά, ο ήλιος έχει αυθόρμητα ξεσπάσματα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με τη μορφή ακτίνων γάμμα, ακτίνων Χ και ραδιοκύματα. Το φαινόμενο αυτό φτάνει στο μέγιστο κάθε 11 χρόνια (11ετής ηλιακός κύκλος) και κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου η γη λαμβάνει παραπάνω ακτινοβολία. Η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη επηρεάζεται τόσο από τη γήινη ατμόσφαιρα, όσο και από τη μαγνητόσφαιρα. Η ατμόσφαιρα απορροφά τα περισσότερα από τα σωματίδια που συνδέονται με κοσμικές ακτίνες (Bagshaw, 2014). Η μαγνητόσφαιρα εκτρέπει εν μέρει την κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης. Η εκτροπή είναι μέγιστη στον ισημερινό και ελάχιστη στους πόλους, όπου το βάθος διείσδυσης της κοσμικής ακτινοβολίας είναι μέγιστο. Η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας σε υψόμετρο πτήσης γύρω από τον ισημερινό είναι περίπου τρεις φορές μικρότερη σε σχέση με τους πόλους (ΕΡΑ). 40

42 Το μαγνητικό πεδίο του ήλιου μπορεί να εκτρέψει την κοσμική ακτινοβολία μακριά από τη Γη, η ισχύς του οποίου μεταβάλλεται ανάλογα με τον 11ετή κύκλο. Όταν η ηλιακή δραστηριότητα είναι χαμηλή (ηλιακό ελάχιστο), το μαγνητικό πεδίο είναι λιγότερο αποτελεσματικό στην εκτροπή της κοσμικής ακτινοβολίας. Έτσι, η κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη θα είναι εντονότερη κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελάχιστου. Η επίδραση της ηλιακής δραστηριότητας στην ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με αυτή που προκαλείται λόγω υψομέτρου ή γεωγραφικού πλάτους. Υπάρχει περίπου μία μείωση της τάξης του 40% μείωση στην ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας από το ηλιακό ελάχιστο στο ηλιακό μέγιστο. Ο ήλιος εκτινάσσει ενεργητικά σωματίδια, όπως πρωτόνια (ηλιακές εκλάμψεις), τα οποία μπορούν επίσης να συμβάλουν στην ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας. Ωστόσο, μόνο σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις οι ηλιακές εκλάμψεις έχουν επαρκή ενέργεια προκειμένου να αυξήσουν την ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας στα υψόμετρα που πετούν τα εμπορικά αεροσκάφη. Οι ηλιακές εκλάμψεις συμβάλλουν ελάχιστα στη συνολική έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία. Παρόλα αυτά για ένα πρωτονικό γεγονός ή ένα GLE, η εναπόθεση ενέργειας στο σώμα και συνεπώς η ισοδύναμη δόση αυξάνονται ραγδαία. Για παράδειγμα η ισοδύναμη πτήση κατά τη διάρκεια μίας πτήσης 7 ωρών είναι 0.05 msv για μία ήσυχη περίοδο, ενώ για ένα έντονο πρωτονικό γεγονός (10 5 particles/cm 2 st sec) μπορεί να φτάσει και μέχρι τα 40 msv. Άλλα τέτοια παραδείγματα είναι το GLE στις 15 Απριλίου 2001, όπου παρατηρήθηκε διπλάσιο ρυθμός δόσης σε σχέση με φυσιολογικές συνθήκες κατά τη διάρκεια πτήσης από την Πράγα στη Νέα Υόρκη, κάνοντας λόγο για μια συνολική πρόσθετη συνεισφορά στη δόση της τάξης των 20 μsv (Spurny and Dachev, 2001), και το GLE στις 20 Ιανουαρίου 2005, όπου εκτιμάται μία ισοδύναμη δόση της τάξης των 550 μsv για μια πτήση από το Μπουένος Άιρες στο Auckland. Αυτή η πρόσθετη δόση προκάλεσε μια σχετική αύξηση περίπου 500% σε σύγκριση με το επίπεδο πριν από την έναρξη του GLE (Bütikofer et al., 2009). Σε υψόμετρα μικρότερα των 15,2 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της θάλασσας, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας αρχίζει να μειώνεται γρήγορα (EPA, 2015). Το πάχος της αέριας μάζας πάνω από ένα συγκεκριμένο ύψος ονομάζεται ατμοσφαιρικό βάθος και είναι ανάλογο με την πίεση του αέρα στο σημείο αυτό. Αυτό μειώνεται σχεδόν εκθετικά όσο αυξάνεται το υψόμετρο (Campbell et al., 2003). Έτσι οι τακτικοί ταξιδιώτες (αερομεταφορών) είναι πιο επιρρεπείς στην επίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας σε σχέση με το κοινό ή άλλους εργαζόμενους. Το ατμοσφαιρικό στρώμα της γης παρέχει μια θωράκιση από την κοσμική ακτινοβολία ισοδύναμη με 13 πόδια σκυροδέματος. Αυτό αντικατοπτρίζεται από το γεγονός ότι στο επίπεδο της θάλασσας το ποσοστό έκθεσης είναι περίπου 0,06 μsv / h, στα πόδια πάνω από το επίπεδο της θάλασσας (το ύψος πλεύσης των περισσότερων υποηχητικών εμπορικών αεροσκαφών) είναι 100 φορές περισσότερο, δηλδή 6 μsv / h, ενώ στα πόδια πάνω από το επίπεδο της θάλασσας (το ύψος πλεύσης του υπερηχητικού Concorde), το ποσοστό έκθεσης είναι πολύ υψηλότερο (Lim, 2002). 41

43 Ιδιαίτερα σημαντικό παράγοντα για τους κανόνες ασφαλείας κατά τη διάρκεια πτήσεων αποτελεί και το μέγιστο Pfotzer, το οποίο εμφανίζεται σε υψόμετρο χιλιομέτρων, (45,931-82,021 ft.) και λαμβάνει τη μέγιστη τιμή του περίπου στα 18 χιλιόμετρα. Βρίσκεται στο στρώμα της τροπόπαυσης και κάτω από τη στρατόσφαιρα, και αποτελεί και αποτελεί το σημείο εκείνο όπου τα πρωτογενή σωματίδια (πιόνια και αδρόνια) μειώνονται και αυξάνουν τα δευτερογενή σωματίδια (κυρίως τα μιόνια). Αυτή είναι μια σημαντική πηγή ιονισμού στην ατμόσφαιρα της Γης και συνεπώς ιονισμού της ύλης (Carmichael-Coker, 2014). Για το λόγο αυτό, τα αεροσκάφη δεν επιτρέπεται να παραμένουν στο ύψος αυτό, καθώς αυξάνεται ραγδαία ή δόση που λαμβάνουν τα πληρώματα. Πληρώματα που πετούν αποκλειστικά κάτω από 8000 μέτρα είναι απίθανο να λάβουν δόσεις ακτινοβολίας άνω του 1 millisievert ανά έτος (το όριο δόσεως ακτινοβολίας για το κοινό, όπως ορίζεται από το νόμο), ενώ πληρώματα που πετούν σε υψόμετρο πάνω από 8000 μέτρα θα λάβουν υψηλότερες δόσεις λόγω κοσμικής ακτινοβολίας. Αεροσκάφη που λειτουργούν σε υψόμετρο άνω των μέτρων είναι απαραίτητο να είναι εφοδιασμένα με ανιχνευτές και μετρητές κοσμικής ακτινοβολίας σύμφωνα με κανονισμούς της Πολιτικής Αεροπορίας (JAR-OPS). Εικόνα 2.5: Το μέγιστο Pfotzer (Πηγή: Spaceweather.com) 42

44 Εικόνα 2.6: Κατανομή της ισοδύναμης δόσης με το ατμοσφαιρικό υψόμετρο (Πηγή: users.sch.gr) Καθώς η πηγή της έκθεσης, δηλαδή η ροή της κοσμικής ακτινοβολίας, είναι σχετικά σταθερή δεν αναμένεται μεμονωμένη έκθεση σε υπερβολικά μεγάλη δόση ραδιενέργειας. Η μοναδική εξαίρεση είναι η περίπτωση σπάνιων ηλιακών εκλάμψεων, οι οποίες μπορούν να εκθέσουν τα πληρώματα των αεροσκαφών σε ασυνήθιστα υψηλή ακτινοβολία. Αεροσκάφη τα οποία κινούνται σε πολύ μεγάλο ύψος οφείλουν να εφοδιαστούν με δοσίμετρα ή να λαμβάνουν σχετικά δεδομένα από δορυφόρους ή επίγειους σταθμούς. Αν και οι ηλιακές εκλάμψεις συμβαίνουν ξαφνικά, αντισταθμιστικά μέτρα, όπως η μείωση του ύψους της πτήσης, μπορούν να μειώσουν την δόση. Συγκεκριμένα, ένα σύστημα ειδοποίησης λειτουργεί στο αμερικανικό κέντρο πρόβλεψης διαστημικού καιρού (U.S. Space Weather Prediction Center - Τα προβλήματα υγείας που σχετίζονται με την έκθεση των πληρωμάτων των αεροσκαφών σε κοσμική ακτινοβολία περιλαμβάνουν των κίνδυνο εμφάνισης καρκίνου, γενετικές ανωμαλίες που μπορεί να περάσουν σε απογόνους καθώς και βλάβη σε έμβρυα. Ο θάνατος από καρκίνο είναι ο βασικός κίνδυνος που σχετίζεται με την συστηματική έκθεση σε ιονίζουσες ακτινοβολίες, ενώ θεωρείται ότι η βλάβη στο γενετικό υλικό των κύτταρων είναι και η αιτία που κρύβεται πίσω από τον κίνδυνο εκδήλωσης καρκίνου. Έτσι, ο κίνδυνος θανάτου από καρκίνο των αεροπορικών πληρωμάτων είναι ελαφρώς μεγαλύτερος σε σχέση με τον αντίστοιχο κίνδυνο για το γενικό κοινό. Το ίδιο ισχύει και για τον κίνδυνο γενετικών ανωμαλιών και τις εμβρυικές βλάβες. Τα αποτελέσματα είναι βέβαια ακόμα ασαφή (Lewis et al., 1999). Όσον αφορά τα έμβρυα, παρεμβολές στην διαδικασία ανάπτυξης από οποιονδήποτε παράγοντα θα έχουν ως συνέπεια γενετικές ανωμαλίες ή εκδήλωση ασθενειών. Είναι γνωστό ότι ένα έμβρυο είναι πολύ ευαίσθητο στην ακτινοβολία και σε άλλους παράγοντες. Εν μέρει το 43

45 γεγονός αυτό οφείλεται στον μεγάλο ρυθμό διαίρεσης στον κυττάρων και στην ανάπτυξη ειδικών κυττάρων και ιστών. Γενετικές ανωμαλίες δεν προβλέπεται να οφείλονται σε έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία στα ύψη που πετούν τα επιβατικά αεροπλάνα, καθώς απαιτείται πολύ μεγάλο επίπεδο έκθεσης για την εκδήλωση τέτοιων ανωμαλιών. Παρόλ αυτά, σε αυτό το επίπεδο έκθεσης πιθανόν να αυξηθεί ο κίνδυνος εκδήλωσης καρκίνου, όπως η λευχαιμία, κατά την παιδική ηλικία ή αργότερα. Λόγω της αβεβαιότητας του μεγέθους του κίνδυνου που σχετίζεται με την έκθεση σε χαμηλά επίπεδα, οι αρχές ακτινοπροστασίας προτείνουν ότι η πρόσθετη έκθεση ενός εμβρύου πρέπει να είναι στο επίπεδο των διακυμάνσεων της φυσικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Το επίπεδο αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 200 ώρες πτήσης. Στο επίπεδο αυτό δεν αναμένονται κίνδυνοι για την υγεία (ICRP, 2000). Γενικά, οι επιπτώσεις από την ακτινοβολία μπορεί να είναι άμεσες («σύνδρομο ακτινοβολίας») ή μακροπρόθεσμες (στοχαστικά ή / και μη στοχαστικά). Τα άμεσα συμπτώματα συνδέονται με τα υψηλής έντασης ηλιακά γεγονότα, ενώ οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις οφείλονται κυρίως στην μακρόχρονη έκθεση στις χαμηλές δόσεις των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων (Borak et al., 2014). Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν η συχνότερη εμφάνιση καταρράκτη και μελανώματος (Shantha et al., 2015). Η έκθεση σε κοσμική ακτινοβολία ενδέχεται να έχει και άλλες επιπτώσεις στα πληρώματα των αεροσκαφών, και όχι μόνο, όπως καρδιαγγειακές παθήσεις και ασθένειες του νευρικού συστήματος, ιδιαίτερα εγκεφαλικά επεισόδια, εμφράγματα του μυοκαρδίου, μεταβολές στον καρδιακό ρυθμό και τη συστολική και διαστολική πίεση (Papailiou et al., 2011; 2012a; 2012b). Έτσι, η κοσμική ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί ως ένας από τους εξωτερικούς παράγοντες ρύθμισης της ανθρώπινης ομοιόστασης (Stoupel et al., 2006) Θεσμικά Πλαίσια Κάθε μέτρο προστασίας από την ακτινοβολία, έχει ως σκοπό την ελαχιστοποίηση της έκθεσης του ανθρώπου σε ακτινοβολίες, καθώς καμία έκθεση σε ακτινοβολία, όσο μικρή κι αν είναι, δεν πρέπει να θεωρείται ακίνδυνη (Αγγελόπουλος και Σακελλίου, 1994). Όσον αφορά την εξωτερική ακτινοβόληση, τα μέτρα προστασίας καθορίζονται από τις παραμέτρους χρόνος, απόσταση και θωράκιση, ενώ για τη εσωτερική ακτινοβόληση, η πρόληψη αποτελεί το μοναδικό μέτρο προστασίας. Ο χρόνος, εμφανίζεται τόσο στο χρόνο όσο και το ρυθμό ακτινοβόλησης. Θα πρέπει έτσι και οι δύο να κρατούνται στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα. Παράλληλα, η απόσταση οφείλει να είναι η μέγιστη δυνατή από την εκάστοτε πηγή ακτινοβόλησης, ενώ τέλος, η χρήση κατάλληλης θωράκισης κρίνεται απαραίτητη, προκειμένου να υπάρχει εξασθένιση της ακτινοβολίας. Έτσι, στόχος της ακτινοπροστασίας είναι τόσο ο περιορισμός των στοχαστικών όσο και η πρόληψη των μη- στοχαστικών αποτελεσμάτων που οφείλονται στην έκθεση σε ακτινοβολία. 44

46 Οι βασικές αρχές ακτινοπροστασίας (ICRP, 2007) είναι οι εξής: Τεκμηρίωση (Justification) Σύμφωνα με την αρχή της τεκμηρίωσης, δεν επιτρέπεται καμία έκθεση σε ακτινοβολία, εκτός αν η επιδιωκόμενη ωφέλεια είναι μεγαλύτερη από το πιθανό δυσμενές βιολογικό αποτέλεσμα και τους συνεπαγόμενους. Βελτιστοποίηση (ALARA = As Low As Reasonably Achievable) Κάθε έκθεση σε ακτινοβολία θα πρέπει να γίνεται στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα, λαμβάνοντας υπόψη οικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες. Θα πρέπει δηλαδή να ελαχιστοποιείται η επιβάρυνση της υγείας ή του περιβάλλοντος, αλλά ταυτόχρονα να επιτυγχάνεται και ο σκοπός της εφαρμογής. Αυτά πρέπει να διασφαλίζονται με νομοθεσία της πολιτείας και τους ειδικούς κανονισμούς εργασίας. Όρια δόσεων (Dose Limits) Η ισοδύναμη δόση που δέχεται κάθε άτομο ξεχωριστά δεν πρέπει να υπερβαίνει τα όρια που έχουν προταθεί για κάθε περίπτωση. Ουσιαστικά πρέπει να εφαρμόζονται κάποια αποδεκτά όρια, ειδικά για τους επαγγελματικά εκτιθέμενους, χωρίς αυτό να σημαίνει υποχρεωτικά ότι αυτά είναι και όρια ασφαλείας (Τσιτομενέας, 2011). Για το γενικό πληθυσμό το όριο είναι 1 msv ετησίως. Τα πληρώματα αεροσκαφών και οι συχνοί ταξιδιώτες μπορούν να συσσωρεύσουν ετήσιες ισοδύναμες δόσεις ακτινοβολίας μερικών msv. Αυτή η τιμή είναι πάνω από το διεθνές όριο δόσης για την τεχνητή έκθεση του 1 msv ανά έτος για το φυσιολογικό πληθυσμό. Ετσι, οι συστάσεις της ICRP εγκρίθηκαν από την ευρωπαϊκή νομοθεσία (ICRP, 2007), απαιτώντας την αξιολόγηση της έκθεσης σε ακτινοβολία των πληρωμάτων αέρος. Πιο συγκεκριμένα, το 1991 και στη συνέχεια το 2007, η Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας συνέστησε ότι η έκθεση των μελών των πληρώματος πτήσης σε κοσμική ακτινοβολία σε αεροσκάφη θα πρέπει να θεωρείται ως είδος επαγγελματικής έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία. Με βάση αυτή τη σύσταση, οι περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες ξεκίνησαν την έρευνα για την ανάπτυξη θεωρητικών και πειραματικών μεθόδων υπολογισμού της φυσικής έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία σε αεροπορικά υψόμετρα. Για ένα τυπικό ταξίδι μεταξύ Ευρώπης και Βόρειας Αμερικής, ένα άτομο λαμβάνει ένα ρυθμό δόσης που κυμαίνεται μεταξύ 4 και 8 μsv / h (Hughes et al., 2005). Η ICRP συνιστά τον συστηματικό έλεγχο των δόσεων για τα μέλη πληρώματος καθώς λαμβάνουν υψηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας από ό, τι οι εργαζόμενοι που εκτίθενται σε ιατρικές ή βιομηχανικές ακτινοβολίες. Αν και οι ετήσιες δόσεις τους κυμαίνονται γενικά κάτω από 6 msv, το ιπτάμενο προσωπικό εκτίθεται σε συνεχή ακτινοβολία για πολλές ώρες εργασίας (Lee et al., 2015). 45

47 Εικόνα 2.7: Η μέση ετήσια ισοδύναμη δόση για επαγγελματίες σε διάφορα πεδία. Οι δόσεις για τους αεροπόρους εκτιμώνται με βάση τις διαδρομές και το υψόμετρο (Πηγή: NCRP, 2013). Έτσι, σύμφωνα με το νόμο, ο πιλότος δεν μπορεί να πετάξει πάνω από 85 ώρες το μήνα ή ώρες το χρόνο. Ωστόσο, ο μέσος πιλότος εργάζεται για πάνω από 100 ώρες το μήνα συνυπολογίζοντας και τα καθήκοντά εδάφους, όπως η κατάθεση σχεδίων πτήσης και η παρακολούθηση σεμιναρίων εκπαίδευσης (Avjobs, 2016). Διάρκεια πτήσεων αυτού του εύρους ανά έτος για τα μέλη πληρώματος αεροσκαφών μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένα επίπεδα των ισοδύναμων δόσεων ακτινοβολίας. Παρόλ αυτά, για τις περισσότερες πτήσεις, η έκθεση δεν υπερβαίνει τα 100 μsv ανά πτήση. Έτσι, οι ετήσιες δόσεις των πληρωμάτων δεν θα υπερβαίνει τα 10 msv μετά το μέγιστο επιτρεπόμενο αριθμό ωρών πτήσης (900 ώρες), (EC, 2000). Καθώς η ροή της κοσμικής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια ενός ταξιδιού δεν μπορεί να ελεγχθεί άμεσα, οι μοναδικές παράμετροι που μπορούν να ελεγχθούν είναι ο χρόνος της έκθεσης (η διάρκεια του ταξιδιού) καθώς και το ύψος και γεωγραφικό πλάτος (πτήσεις σε χαμηλό υψόμετρο με κατεύθυνση προς το νότια πλάτη). Στο μέλλον πτήσεις μεγάλης διάρκειας σε πολύ μεγάλο ύψος (πάνω από 50 χιλ. πόδια) θα απαιτούν επιπρόσθετα μέτρα προκειμένου να ελεγχθεί η σποραδική έκθεση σε ακραία γεγονότα λόγω ηλιακών εκλάμψεων, κυρίως στα μέγιστα του ηλιακού κύκλου. Μερικές συστάσεις σχετικά με την έκθεση ισχύουν μόνο για τις έγκυες γυναίκες. Η ICRP συνιστά ότι μόλις μια γυναίκα μαθαίνει ότι είναι έγκυος, η επαγγελματική έκθεση της σε ιονίζουσα ακτινοβολία δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1 millisievert για το υπόλοιπο της εγκυμοσύνης. Περαιτέρω, η έκθεση του αγέννητου παιδιού δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 0,5 millisievert σε κάθε μήνα (εκτός από ιατρικούς λόγους), από τη στιγμή που η εγκυμοσύνη γίνεται γνωστή. Για λόγους προστασίας από την ακτινοβολία, το αγέννητο παιδί θεωρείται ότι 46

48 λαμβάνει την ίδια δόση κοσμικής ακτινοβολίας, όπως και η μητέρα, αλλά σε ορισμένες πτήσεις, η ακτινοβολία που λαμβάνει ένα αγέννητο παιδί μπορεί να υπερβαίνει τα συνιστώμενα όρια. Μπορούμε να πάρουμε για παράδειγμα δύο πτήσεις: μία μεγάλη πτήση από Νέα Υόρκη προς Αθήνα (9,5 ώρες) και μια μικρή πτήση σε χαμηλό ύψος από το Χιούστον στο Όστιν του Τέξας (0,5 ώρες). Η ισοδύναμη δόση από την πτήση μεγάλων αποστάσεων είναι περίπου 64 μsv, ενώ η αποτελεσματική δόση από το Χιούστον στο Όστιν είναι μόνο περίπου 0,14 μsv. Η έγκυος στην πτήση μεγάλων αποστάσεων θα υπερβαίνει σαφώς το όριο του 1mSv (64 msv ισούται με 0,60 msv / 100 ώρες λειτουργίας / μήνα). Είναι φανερό, λοιπόν, πως μόνο τα πληρώματα πτήσης που πετούν μεγάλο αριθμό ωρών κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης (για παράδειγμα, 100 ώρες σε ένα μήνα) και αυστηρά τις διαδρομές με το μεγαλύτερο ρυθμό δόσης (συνήθως παγκόσμιες διαδρομές, όπως ΗΠΑ - Μπουένος Άιρες ή ΗΠΑ - Τόκυο) θα υπερβαίνουν αυτές τις κατευθυντήριες γραμμές (Waters et al., 2000). Έτσι, η εργασία σε πτήσεις σύντομης διάρκειας και χαμηλού υψομέτρου ή εναλλακτικά, η τοποθέτηση σε θέση έδαφος για το υπόλοιπο της εγκυμοσύνης, μπορεί να μειώσει την έκθεση της εγκύου πιλότου στην κοσμική ακτινοβολία (CARES, 1998; ICRP, 2000; Butler, 2000; Transport Canada, 2006). Η αξιολόγηση του ραδιολογικού κινδύνου (radiological risk assessment) είναι μια εκτίμηση της πιθανότητας πρόκλησης θανατηφόρων καρκίνων ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε δόσεις ακτινοβολίας χαμηλού επιπέδου. Είναι, ως εκ τούτου, ιδιαίτερα σημαντικό να διεξάγονται συχνές ακτινολογικές αξιολογήσεις των μελών πληρώματος αεροσκαφών για να αποτρέπεται η άσκοπη έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία στα υψόμετρα πτήσης. Η διοίκηση και το προσωπικό των αεροπορικών επιχειρήσεων υποχρεούνται να διασφαλίσουν ότι η τηρείται αρχή της ALARA ώστε να διατηρείται η έκθεση των εργαζομένων στη κοσμική ακτινοβολία "στο κατώτερο εφικτό επίπεδο" ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας (Enyinna, 2016). Παρόλο που η κοσμική ακτινοβολία σε μεγάλο ύψος είναι σύνθετη, αν μετρηθεί μέσα από κατάλληλο εξοπλισμό, μπορεί να θεωρηθεί γνωστή. Παράλληλα, καθώς η ροή της ακτινοβολίας μέσα στο αεροσκάφος είναι ομοιόμορφη δεν χρειάζεται εξατομικευμένη παρακολούθηση. Προτείνεται η αξιοποίηση υφιστάμενων δεδομένων δόσεων προκειμένου να προβλέπονται οι δόσεις που θα λάβουν οι εργαζόμενοι. Αν και θα ήταν χρήσιμή η καταγραφή της ληφθείσας δόσης σε κάθε πτήση, υπάρχουν διαχειριστικές δυσκολίες στην αντιστοίχηση των δόσεων των πτήσεων στους εργαζόμενους. Περιοδικά θα πρέπει να γίνεται καταγραφή, είτε της ακτινοβολίας στον χώρο του αεροσκάφους είτε της ακτινοβολίας που λαμβάνουν οι εργαζόμενοι με ατομικά δοσίμετρα, για λόγους πιστοποίησης. Αεροσκάφη που πετούν σε ύψος άνω των 50 χιλ. ποδιών (15 χλμ) οφείλουν να έχουν εξοπλισμό καταγραφής της ακτινοβολίας είτε να λαμβάνουν σχετικά δεδομένα από δορυφόρους ή επίγειους σταθμούς. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την λήψη έκτακτων μέτρων σε περίπτωση απότομής αύξησης της ακτινοβολίας λόγω ηλιακών εκλάμψεων. 47

49 Μυελός των οστών Μάτια Δέρμα Καριέρα Άντρες: x ( x (ηλικία - 30)) Γυναίκες: 1-3 x ( x (ηλικία - 38)) χρόνος ημέρες Πίνακας 2.3: Όρια δόσεων οργάνων σε Sv για αποστολές σε χαμηλές γήινες τροχιές, όπως προτείνονται από την NCRP (Πηγή: Zapp, 2010). Σύμφωνα με τον εργασιακό κώδικα, οι εργοδότες είναι υπεύθυνοι για την υγεία και την ασφάλεια των εργαζόμενών τους στους χώρους εργασίας. Με την προτροπή του ICRP για την αναγνώριση της έκθεσης σε κοσμική ακτινοβολία των πληρωμάτων των αεροσκαφών διεθνείς οργανώσεις όπως η Ευρωπαϊκή Επιτροπή υιοθέτησαν την προτροπή αυτή έτσι ώστε να θεσπίσουν ενιαία κριτήρια κάτω από τα οποία οι χώρες μέλη θα οφείλουν να ρυθμίζουν την έκθεση των πληρωμάτων των αεροπορικών εταιρειών σε κοσμική ακτινοβολία. Οι αεροπορικές εταιρείες υποχρεούνται από τον νόμο να αξιολογούν την πιθανή έκθεση των πληρωμάτων τους σε κοσμική ακτινοβολία (EPA,2015). Η αξιολόγηση οφείλει: Να εντοπίζει ποια πληρώματα είναι πιθανών να εκτεθούν σε δόση μεταξύ 1 msv και 6 msv σε περίοδο 12 μηνών λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας. Να εντοπίζει ποια πληρώματα είναι πιθανών να εκτεθούν σε δόση μεγαλύτερη από 6 msv σε περίοδο 12 μηνών λόγω της κοσμικής ακτινοβολίας. Στις περιπτώσεις όπου η αξιολόγηση δείχνει ότι τα αεροπορικά πληρώματα μπορεί να εκτεθούν σε ετήσια δόση μεγαλύτερη από 1 msv, η αεροπορική εταιρεία οφείλει: Να ενημερώσει τα πληρώματα για τον κίνδυνο. Να αξιολογεί την δόση κάθε μέλους του πληρώματος ατομικά. Να τηρεί αρχείο με τις αξιολογήσεις αυτές. Να διαθέτει τα αρχείο αυτό στα μέλη του πληρώματος τα οποία αφορά. Να δίνει στην EPA περιλήψεις των αρχείων δόσεων Να λαμβάνει απαραίτητα μέτρα για τα μέλη του πληρώματος που κυοφορούν. Κάθε πλήρωμα το οποίο ενδέχεται να λάβει ετήσια δόση μεγαλύτερη από 6 πρέπει να κατηγοριοποιείται ως εργαζόμενος πρώτης κατηγορίας και να λαμβάνονται πρόσθετα μέτρα προστασίας, όπως: Συστηματική ιατρική παρακολούθηση Στενή παρακολούθηση της λαμβανόμενης δόσης 48

50 Αναδιοργάνωση των προγραμμάτων ώστε να ελαχιστοποιείται η έκθεση Διατήρηση ιατρικών αρχείων και αρχείων δόσεων μέχρι οι εργαζόμενοι να φτάσουν την ηλικία των 75 ετών. Εικόνα 2.8: Τα ανεκτά όρια ακτινοβολίας (ICRP, 2013) Είναι υποχρέωση του εργοδότη, και συγκεκριμένα της αεροπορικής εταιρείας, η διασφάλιση της ενημέρωσης των εργαζόμενων σχετικά με τους πιθανούς κινδύνους από την έκθεση στην κοσμική ακτινοβολία και τα μέτρα που λαμβάνονται για να εξασφαλιστεί ότι τα επίπεδα έκθεσης είναι ελαχιστοποιούνται. Ο τρόπος ενημέρωσης οφείλει να συνάδει με την επιτροπή υγείας και ασφάλειας του εργασιακού χώρου. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό οι εργαζόμενες να ενημερώνονται για την ανάγκη περεταίρω ελέγχου της έκθεσης κατά την εγκυμοσύνη, αλλά και για την ανάγκη να ενημερώνουν όσο το δυνατόν πιο έγκαιρα την διοίκηση, ώστε να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα (CARES, 1998; Transport Canada, 2006; EPA, 2015) Μέθοδοι μέτρησης της ακτινοβολίας σε αεροσκάφη Με δεδομένη την πολύπλοκη φύση της κοσμικής ακτινοβολίας, λόγω της ποικιλίας των σωματιδίων και των ενεργειακών χαρακτηριστικών τους, η μέτρηση της δόσης δεν είναι απλή. Γενικώς, οι ανιχνευτές ανταποκρίνονται σωστά μόνο για ορισμένα από αυτά τα σωματίδια. Προκειμένου να επιτευχθεί μία σωστή μέτρηση, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια σειρά ανιχνευτών ή ορισμένων μετρητών που είναι σε θέση να λάβουν υπόψην όλα τα στοιχεία της κοσμικής ακτινοβολίας. Ωστόσο, αυτού του είδους οι συσκευές δεν είναι κατάλληλες για τη λήψη μετρήσεων ρουτίνας κατά τη διάρκεια εμπορικών πτήσεων. Οι μετρήσεις επί του αεροσκάφους μπορούν να πραγματοποιηθούν με πολλούς διαφορετικούς τύπους μέσων. Ένας τρόπος είναι η χρήση ηλεκτρονικών οργάνων, η οποία μπορεί να δώσει τη δόση συνεχώς κατά τη διάρκεια μιας πτήσης είτε ως ρυθμό της δόσης (μsv / 49

51 h) είτε ως συνολική δόση για ολόκληρη τη διαδρομή (μsv). Το αποτέλεσμα είναι διαθέσιμο αμέσως μετά την πτήση. Παραδείγματα τέτοιων ανιχνευτών είναι ισοδύναμο ιστού αναλογικοί μετρητές ισοδύναμοι ιστού (tissue equivalent proportional counters - TEPCs), θάλαμοι ιονισμού (ionization chambers), μετρητές νετρονίων, μετρητές Geiger-Müller ή ανιχνευτές που βασίζονται σε τεχνικές ημιαγωγών. Τέτοιοι ανιχνευτές ανιχνεύουν το ηλεκτρικό φορτίο που δημιουργείται από την ιονίζουσα ακτινοβολία κατά τη διέλευση μέσα από ένα υλικό. Το ηλεκτρικό ρεύμα ή φορτίο που παράγεται σε πολλούς από αυτούς τους ανιχνευτές είναι εξαιρετικά μικρά και οι ίδιοι οι ανιχνευτές είναι συχνά εύθραυστοι. Ο εξοπλισμός πρέπει να αντιμετωπίζεται με μεγάλη προσοχή. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι ότι χρειάζονται παροχή ρεύματος (μέσω σύνδεσης είτε με μια μπαταρία ή με τη γραμμή ισχύος εντός του αεροσκάφους). Ως τέτοιες εγκαταστάσεις πρέπει να ακολουθούν ορισμένες οδηγίες και κανονισμούς (cordis.europa.eu). Άλλοι ανιχνευτές είναι παθητικοί, με την έννοια ότι αποθηκεύουν τα δόση που αφήνει ένα σωματίδιο όταν διέρχεται μέσα από τον ανιχνευτή. Εδώ η ακτινοβολία παράγει ένα αναστρέψιμο ή μη αναστρέψιμο αποτέλεσμα στον ανιχνευτή, το οποίο αξιολογείται μετά την πτήση με ειδικό εξοπλισμό. Οι ανιχνευτές αυτοί είναι χωρίς ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συνήθως αρκετά μικροί σε μέγεθος, οπότε είναι πολύ εύκολοι στη χρήση επί του αεροσκάφους (Ambrožová et al., 2010). Ωστόσο, η ευαισθησία τους είναι συνήθως χαμηλή και για να βελτιωθεί αρκετές ανιχνευτές συχνά στοιβάζονται μαζί ή χρειάζεται να πετάξουν αρκετές φορές πριν να αξιολογηθούν. Παραδείγματα τέτοιων ανιχνευτών είναι ανιχνευτές θερμοφωταύγειας (thermoluminescense detectors - TLDs) (Mukherjee et al., 2007; Vuković et al., 2007; ανιχνευτές φυσαλίδων (bubble detectors) και ανιχνευτές που ανιχνεύουν την τροχιά των σωματιδίων (ένα κοινό υλικό είναι το PADC) (Vuković et al., 2007). Ανιχνευτές που βασίζονται στις σχάσεις νετρονίων που προκαλούνται σε βισμούθιο και χρυσό έχουν αναπτυχθεί ειδικά για τη δοσιμετρία των κοσμικών ακτίνων, οι οποίες καθιστούν δυνατή την επιλεκτική μέτρηση της συνιστώσας των νετρονίων υψηλής ενέργειας. Μερικοί ανιχνευτές είναι ευαίσθητοι σε ένα μόνο είδος ακτινοβολίας που βρίσκονται εντός του αεροσκάφους, οπότε πολλοί διαφορετικοί ανιχνευτές απαιτούνται. Όλα τα όργανα πρέπει να βαθμονομούνται προσεκτικά και να ακολουθούν τα διεθνή πρότυπα δόσεων που έχουν καθοριστεί. Για τα όργανα που δεν ανταποκρίνονται σε όλες τις συνιστώσες της ακτινοβολίας, η επίδραση στο σήμα από άλλες ακτινοβολίες θα πρέπει να είναι κατανοητή (EURADOS, 2004). Μια άλλη προσέγγιση συνίσταται στον υπολογισμό δόσεων χρησιμοποιώντας σχετικά περίπλοκα μαθηματικά μοντέλα. Η ανάπτυξη αυτού του είδους των μοντέλων είναι πολύπλοκη, διότι χρειάζεται να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις των κοσμικών σωματιδίων και η συμβολή τους στη δόση. Παρ 'όλα αυτά, οι υπολογισμοί αυτοί μπορεί να είναι ιδιαίτερα αξιόπιστοι, όταν τα μοντέλα επικυρώνονται χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Οι υπολογισμοί είναι επίσης πολύ πιο εύκολοι στη χρήση συγκριτικά με τα διάφορα συστήματα μέτρησης επί του αεροσκάφους. Έτσι, η συντριπτική πλειοψηφία των ειδικών χρησιμοποιούν μοντέλα για την εκτίμηση των δόσεων ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια πτήσεων. 50

52 Υπάρχουν επί του παρόντος διάφορα εργαλεία υπολογισμού που επικυρώνονται από μετρήσεις που λαμβάνονται επί του αεροσκάφους. Όμως έτσι δεν μπορούν να προβλεφθούν ηλιακές εκλάμψεις και άλλα έντονα γεγονότα κοσμικής ή ηλιακής προέλευσης, οπότε ενσωματώνονται εκ των υστέρων με τη χρήση συγκεκριμένων δοσιμετρικών μοντέλων. Εικόνα 2.9: Αναλογικός μετρητής ισοδύναμος ιστού (σύστημα Hawk από τη Far West Technology), ο οποίος χρησιμοποιείται για να παρέχει μία δοσιμετρία αναφοράς κατά τη διάρκεια πτήσεων (sievert-system.org) 51

53 Κεφάλαιο III Συγκριτική μελέτη μοντέλων δόσεων ακτινοβολίας αεροπορικών πτήσεων 3.1. Υπάρχοντα Μοντέλα Διάφορα μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη των βιολογικών και τεχνολογικών επιπτώσεων της ηλιακής και γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας, τα οποία βασίζονται τόσο σε προσομοιώσεις όσο και σε συλλογή πραγματικών δεδομένων. Παρακάτω αναλύεται η αρχή λειτουργίας ορισμένων εξ αυτών (Sievert, Cari-6, Planetocosmics / Magnetocosmics, Avidos) ενώ παράλληλα πραγματοποιούνται και δοσιμετρικοί υπολογισμοί. Τέλος, παρουσιάζεται μία νέα εφαρμογή για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης της πρωτογενούς και δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας με την ύλη στα διάφορα ατμοσφαιρικά στρώματα και τον υπολογισμό της δόσης και της ισοδύναμης δόσης (DYASTIMA-R) Μοντέλο Sievert Ήδη, από το 1996 έχουν θεσπιστεί Ευρωπαϊκοί κανονισμοί που υποχρεώνουν τους διάφορους φορείς να παρακολουθούν την έκθεση του προσωπικού των αεροσκαφών κατά τη διάρκεια των πτήσεων. Με αφορμή αυτό, η Γαλλική Πολιτική Αεροπορία (French Civil Aviation - DGAC), το Ινστιτούτο Ραδιολογικής Προστασίας και Πυρηνικής Ασφάλειας (Radiological Protection and Nuclear Safety - IRSN), το Αστεροσκοπείο του Παρισιού (Paris Observatory) και το Γαλλικό Ινστιτούτο Πολικής Έρευνας French Institute for Polar Research - IFRTP) δημιούργησαν το Sievert, ένα υπολογιστικό σύστημα για την αξιολόγηση της έκθεσης σε κοσμική ακτινοβολία κατά τη διάρκεια των εναέριων μεταφορών. Το εργαλείο αυτό είναι αφιερωμένο στη δοσιμετρία του ιπτάμενου προσωπικού και υπολογίζει τη δόση χρησιμοποιώντας διάφορες παραμέτρους σχετικά με την πτήση, με τις τιμές τους να υπολογίζονται από μοντέλα δοσιμετρίας που έχουν επαληθευτεί σε πάνω από αρκετές δεκάδες πτήσεις. Τα δεδομένα εισόδου βασίζονται σε επίγειες μετρήσεις από μετρητές νετρονίων αλλά και από μετρήσεις που έχουν λάβει χώρα σε αεροσκάφη με κατάλληλες συσκευές, ενώ απαραίτητη είναι και η γνώση της ηλιακής δραστηριότητας (Blanchard et al., 2007; Clairand et al., 2009). Η λειτουργία του Sievert βασίζεται στην παρακάτω μέθοδο. Ο εναέριος χώρος χωρίζεται σε τμήματα με κάθε κυψελίδα να έχει 1000 πόδια ύψος και γεωγραφικό μήκος και πλάτος 10 και 2 αντίστοιχα. Σχηματίζεται έτσι ένα χάρτης κυττάρων σε καθένα από τα οποία αντιστοιχίζεται ένας ρυθμός ισοδύναμη δόσης. Οι υπολογισμοί γίνονται με βάση τη διάρκεια 52

54 παραμονής του αεροσκάφους σε κάθε κυψελίδα και την αντίστοιχη δόση (Εικόνα 3.1). Στη συνέχεια αθροίζονται ώστε να προκύψει η συνολική δόση για την πτήση αυτή. Πολλές φορές παρατηρείται μεγάλη διασπορά της δόσης για ένα δεδομένο προορισμό (έως και ένα παράγοντα της τάξης του 1,7), αφού περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως οι καιρικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν τη διάρκεια της πτήσης (IRSN, 2002). Εικόνα 3.1: Η αρχή λειτουργίας του εργαλείου Sievert (Πηγή: IRSN, 2002) Παράλληλα, το Sievert είναι σε θέση να αξιολογήσει τον αντίκτυπο από τη δόση που έλαβε κάποιος στην περίπτωση μιας ηλιακής έκρηξης, κατά τη διάρκεια δηλαδή ενός GLE. Εικόνα 3.2: Η πλατφόρμα υπολογισμού του εργαλείου Sievert (Πηγή: 53

55 Κάθε αεροπορική εταιρεία μπορεί να δημιουργήσει ένα αρχείο ολοκληρωμένων ή προγραμματισμένων πτήσεων και το αφήνει διαδικτυακά στο Sievert. Το σύστημα τότε συμπληρώνει το αρχείο προσθέτοντας την ισοδύναμη δόση για κάθε πτήση, χρησιμοποιώντας επικυρωμένα δεδομένα από το IRSN. Όσο πληρέστερη Η λεπτομέρεια που παρέχεται στο ίχνος πτήσης, τόσο πιο ακριβής θα είναι ο υπολογισμός της δόσης. Εάν οι πληροφορίες δεν είναι αρκετές, τότε η τιμή της δόσης θα εκτιμηθεί από ένα πρότυπο προφίλ πτήσης. Στη συνέχεια οι πληροφορίες διατίθενται στους εργαζόμενους, το γιατρό εργασίας και το εθνικό μητρώο. Το κοινό επίσης μπορεί να υπολογίσει την πλατφόρμα που παρέχεται διαδικτυακά από το IRSN προκειμένου να υπολογίσει την ισοδύναμη δόση που θα δεχθεί κατά τη διάρκεια μίας πτήσης (Εικόνα 3.2). Η διαδικτυακή αυτή πλατφόρμα χρησιμοποιεί ως στοιχεία εισόδου την τοπική ώρα και την ημερομηνία αναχώρησης και άφιξης, καθώς και την τοποθεσία αναχώρησης και προορισμού, τα οποία ρυθμίζονται από τον χρήστη. Η πλατφόρμα χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ισοδύναμης δόσης σε συσχέτιση με τις διάφορες φάσεις της ηλιακής δραστηριότητας. Πιο συγκεκριμένα, για τους υπολογισμούς της ισοδύναμης δόσης έχει επιλεχθεί η πρώτη ημέρα κάθε μήνα από το 2000 έως το 2015, δηλαδή το μέγιστο και η καθοδική φάση του 23 ου ηλιακού κύκλου και η ανοδική φάση και μέγιστο του 24 ου ηλιακού κύκλου. Οι πτήσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί έχουν διαφορετική χρονική διάρκεια και λαμβάνουν χώρα σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη. Οι πτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν (Παράρτημα Β) καθώς και η διάρκειά τους είναι οι εξής: Αθήνα Ελσίνκι (4 ώρες) Αθήνα Ρώμη (2 ώρες) Αθήνα Λονδίνο (4 ώρες) Αθήνα Βερολίνο (3 ώρες) Αθήνα Παρίσι (3 ώρες) Αθήνα Νέα Υόρκη (11 ώρες) Αθήνα Σύδνεϋ (20 ώρες) Αθήνα Τόκυο (14 ώρες) Μόσχα Αθήνα (4 ώρες) Μόσχα Λονδίνο (4 ώρες) Στο σχήμα 3.3 δίνεται η γραφική παράσταση της ισοδύναμης δόσης που οφείλεται σε έκθεση σε γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία για τις παραπάνω πτήσεις, από το 2000 έως το Παρατηρείται ότι το ποσό της ισοδύναμη δόσης που λαμβάνει κανείς εξαρτάται από τη χρονική διάρκεια της πτήσης. Για παράδειγμα, η ισοδύναμη δόση είναι αισθητά υψηλότερη για τις διαδρομές Αθήνα Ν. Υόρκη, Αθήνα Τόκυο και Αθήνα Σύδνεϋ, και αγγίζει έως και τα 8.5 msv ανά πτήση, σε αντίθεση με τη διαδρομή Αθήνα Ρώμη, όπου η ισοδύναμη δόση είναι χαμηλότερη των msv. 54

56 Εικόνα 3.3: Η ισοδύναμη δόση όπως υπολογίστηκε από το Sievert Εικόνα 3.4: Η διαφορά της ισοδύναμης δόσης από τη μέση τιμή της, όπως υπολογίστηκε με το Sievert 55

57 Από το σχήμα αυτό γίνεται φανερή και η αντισυσχέτιση της ισοδύναμης δόσης με τον 11-ετή ηλιακό κύκλο, με την ισοδύναμη δόση να μεγιστοποιείται στο εκτεταμένο ελάχιστο που παρουσιάζεται μεταξύ των ηλιακών κύκλων 23 και 24 ( ). Αυτό οφείλεται στην πρωταρχική αντισυσχέτιση της έντασης της γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας και της ηλιακής δραστηριότητας, όπως αυτή περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 1. Η συμπεριφορά αυτή γίνεται ακόμα πιο εμφανής στις πτήσεις με μεγάλη χρονική διάρκεια. Αυτό φαίνεται και στο σχήμα 3.4., όπου απεικονίζεται η διαφορά της ισοδύναμης δόσης από τη μέση τιμής ως συνάρτηση του χρόνου. Εξαίρεση αποτελεί η πτήση Αθήνα Σύδνεϋ, η οποία είναι η μοναδική που πραγματοποιείται στο Νότιο Ημισφαίριο. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται σύγκριση δύο πτήσεων παρόμοιας χρονικής διάρκειας, που όμως εξελίσσονται σε διαφορά γεωγραφικά πλάτη (Αθήνα Λονδίνο και Μόσχα Λονδίνο). Παρατηρείται ότι η ισοδύναμη δόση που δέχεται το πλήρωμα στην περίπτωση της πτήσης Μόσχα Λονδίνο είναι πολύ υψηλότερη σε σχέση με τη διαδρομή Αθήνα Λονδίνο, καθώς εξελίσσεται σε μικρότερα γεωγραφικά πλάτη (Σχήμα 3.5). Αυτό είναι αναμενόμενο, καθώς όσο μετακινούμαστε προς χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη, το κατώφλι κατακόρυφης μαγνητικής δυσκαμψίας αυξάνεται με αποτέλεσμα να καταγράφεται μεγαλύτερη έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας και άρα υψηλότερη ισοδύναμη δόση. Εξαιτίας αυτού, παρατηρείται επίσης και εντονότερη αντισυσχέτιση με τον ηλιακό κύκλο, για την πτήση αυτή. Είναι φανερό, λοιπόν, πως η ισοδύναμη δόση εξαρτάται όχι μόνο από τη διάρκεια της πτήσης και τη φάση του ηλιακού κύκλου, αλλά και από τα γεωγραφικά πλάτη στα οποία πραγματοποιείται η πτήση. Εικόνα 3.5: Η ισοδύναμη δόση για δύο πτήσεις ίδιας διάρκειας, που εξελίσσονται σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, όπως υπολογίστηκε με το Sievert 56

58 Μοντέλο Cari Το υπολογιστικό πρόγραμμα CARI-6 αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Αεροδιαστημικής Ιατρικής της Ομοσπονδιακής Διοίκησης Αεροπορίας (Federal Aviation Administration FAA) και υπολογίζει την ισοδύναμη δόση από τη γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία που λαμβάνεται από ένα άτομο (βασίζεται σε ένα ανθρωπόμορφο ομοίωμα) σε ένα αεροσκάφος που πετά τη συντομότερη διαδρομή (γεωδαισικά) μεταξύ δύο αερολιμένων στη Γη. Το πρόγραμμα λαμβάνει υπόψη τις αλλαγές στο υψόμετρο και τη γεωγραφική θέση κατά τη διάρκεια μιας πτήσης, όπως προκύπτει από το προφίλ πτήσης που εισάγει ο χρήστης. Αποκλίσεις από τη συντομότερη δυνατή διαδρομή έως και 200 μίλια έχουν πολύ μικρή επίδραση στη δόση κατά τη διάρκεια της πτήσης. Με βάση την ημερομηνία (μήνας και έτος) της πτήσης χρησιμοποιούνται κατάλληλες βάσεις δεδομένων αντιπροσωπευτικές των επιπτώσεων στα επίπεδα γαλαξιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα λόγω μεταβολών στο μαγνητικό πεδίο της γης και της ηλιακής δραστηριότητας (ηλιοκεντρικά δυναμικά). Το πρόγραμμα μπορεί και υπολογίζει επίσης την ισοδύναμη δόση σε οποιαδήποτε θέση μέσα στην ατμόσφαιρα σε υψόμετρο μέχρι και πόδια, ενώ μπορεί να κάνει υπολογισμούς πίσω έως και τον Ιανουάριο του Εικόνα 3.6: Η πλατφόρμα υπολογισμού του προγράμματος CARI-6 (Πηγή: ) 57

59 Χρησιμοποιώντας τη διαδικτυακή πλατφόρμα CARI-6 προσδιορίστηκε η μέση ετήσια ισοδύναμη δόση για τις πτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν και στην παράγραφο (Παράρτημα Γ). Η πλατφόρμα επιτρέπει τον υπολογισμό μηνιαίων και ετήσιων μέσων τιμών για διάφορα υψόμετρα και διάφορα υψομετρικά επίπεδα πτήσης. Ως υψόμετρο χρησιμοποιήθηκαν τα 10.5 χιλιόμετρα και επιλέχθηκε μόνο ένα επίπεδο πτήσης, λαμβάνοντας υπόψη τους χρόνους απογείωσης και προσγείωσης (30 λεπτά αντίστοιχα για το καθένα). Η χρονική εξέλιξη της μέσης ετήσιας ισοδύναμης δόσης που οφείλεται στη γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία παρουσιάζεται στην εικόνα 3.7. Και εδώ παρατηρείται μία αρνητική συσχέτιση με τον ενδεκαετή ηλιακό κύκλο, με την ισοδύναμη δόση να μεγιστοποιείται στο ελάχιστο του ηλιακού κύκλου, και πιο συγκεκριμένα να παίρνει τη μέγιστη τιμή της το Αντίστοιχα παρατηρείται πως η ισοδύναμη δόση αυξάνεται ανάλογα με τον αριθμό ωρών πτήσης. Εικόνα 3.7: Η διαφορά της ισοδύναμης δόσης από τη μέση τιμή της, όπως υπολογίστηκε με το CARI-6 Στη συνέχεια κατασκευάζεται το διάγραμμα ισοδύναμης δόσης χρόνου για δύο πτήσεις ίσης χρονικής διάρκειας που εξελίσσονται όμως σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη. Η εξάρτηση της ισοδύναμης δόσης από το υψόμετρο είναι φανερή και εδώ, καθώς η ισοδύναμη δόση που λαμβάνεται στην πτήση που πραγματοποιείται στο μεγαλύτερο γεωγραφικό πλάτος (Μόσχα Λονδίνο) είναι μεγαλύτερη σε σχέση με την πτήση σε χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη (Αθήνα Λονδίνο). Παρόλ αυτά, παρατηρούμε πως υπάρχουν μικρές αποκλίσεις στους υπολογισμούς σε σχέση με το πρόγραμμα Sievert. 58

60 Εικόνα 3.8: Η ισοδύναμη δόση για δύο πτήσεις ίδιας διάρκειας, που εξελίσσονται σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, όπως υπολογίστηκε με το CARI-6 Το CARI-6 δεν είναι ιδανικό για τη μελέτη ακραίων φαινομένων, όπως πρωτονικών γεγονότων, μειώσεων Forbush ή GLEs, καθώς δεν παρέχει ωριαίες ή ημερήσιες τιμές αλλά αποκλειστικά μέσες μηνιαίες και ετήσιες τιμές. Η FFA με το μοντέλο CARI-6 παρέχει ένα σύστημα επιφυλακής έντονης ηλιακής ακτινοβολίας με τη δημιουργία ειδικών χαρτών (solar radiation alert system). Οι χάρτες αυτοί χωρίζοναι σε τέσσερις περιοχές με βάση το βαθμό της γεωμαγνητικής θωράκισης που παρέχεται από το μαγνητικό πεδίο της Γης στα πληρώματα των αεροσκαφών. Η Περιοχή 1 είναι η περιφέρεια πολικού γεωγραφικού πλάτους, όπου το μαγνητικό πεδίο παρέχει ελάχιστα έως καθόλου προστασία από την ηλιακή κοσμική ακτινοβολία. Τα υψηλότερα ποσοστά δόσης συμβαίνουν στην περιοχή 1. Αν δε λαμβάνει χώρα μία γεωμαγνητική καταιγίδα, οι ρυθμοί δόσης στην περιοχή 2 θα είναι χαμηλότερα από ότι στην περιοχή 1. Κατά τη διάρκεια μιας γεωμαγνητικής καταιγίδας G5, οι ρυθμοί δόσης σε όλη την Περιοχή 2 μπορεί να είναι τόσο υψηλές όσο εκείνοι στην περιοχή 1. Στην περιοχή 3, μία συνολική δόση σε έμβρυο που ξεπερνά το συνιστώμενο όριο είναι δυνατόν να υπάρξει σε μια έκθεση 10 ωρών σε υψόμετρο πόδια, αλλά οι ρυθμοί δόσης θα είναι πάντα χαμηλότεροι από ό, τι στις περιοχές 1 και 2. Οι ρυθμοί δόσης στην περιοχή 4 δεν υπερβαίνουν παρά μόνο ένα μικρό ποσοστό της δόσης στην Περιοχή 1. Στην περιοχή 4, κατά την περίοδο 20 ετών (1 / / 2006), η υψηλότερη 10-ωρη δόση στο έμβρυο από ηλιακή κοσμική ακτινοβολία σε πόδια ήταν μικρότερη του 10% του συνιστώμενου ορίου (FAA, 2009). 59

61 Εικόνα 3.9: Χάρτης του συστήματος επιφυλακής έντονης ηλιακής ακτινοβολίας (Πηγή: FAA, 2009) Planetocosmics / Magnetocosmics Για τον προσδιορισμό των συντελεστών δόσης ακτινοβολίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και τα προγράμματα MAGNETOCOSMICS / PLANETOCOSMICS τα οποία έχουν αναπτυχθεί από την ομάδα της κοσμικής ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου της Βέρνης στην Ελβετία ( Η σουίτα λογισμικού PLANETOCOSMICS (Desorgher, 2005) βασίζεται στο λογισμικό Geant4, μια πλατφόρμα για την προσομοίωση της διέλευσης των σωματιδίων μέσω της ύλης με τη χρήση μεθόδων Monte Carlo ( Η εφαρμογή PLANETOCOSMICS επιτρέπει την διάδοση φορτισμένων σωματιδίων στο πλανητικό μαγνητικό πεδίο, και / ή τις αδρονικές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις της κοσμικής ακτινοβολίας με το περιβάλλον της Γης, του Άρη, ή του Ερμή, συμπεριλαμβάνοντας τόσο την ατμόσφαιρα όσο και το έδαφος του πλανήτη. Πιθανά αποτελέσματα του προγράμματος είναι ο ρυθμός ροής των σωματιδίων σε υψόμετρα που καθορίζονται από το χρήστη καθώς και η ενέργεια που εναποτίθεται από τον καταιγισμός των σωματιδίων μέσα στην ατμόσφαιρα. Εφαρμογές του κώδικα PLANETOCOSMICS περιλαμβάνουν εκτιμήσεις της ροής της λευκαύγειας, ηλιακή μελέτη της ροής των σωματιδίων, υπολογισμό του ποσοστού ιονισμού στην ατμόσφαιρα από την κοσμική ακτινοβολία και μελέτη της ροής των ενεργητικών των ηλεκτρονίων σε υψηλά γεωγραφικά πλάτη. 60

62 Με το PLANETOCOSMICS, οι ρυθμοί ιονισμού και οι ρυθμοί δόσεων ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα της Γης που οφείλονται σε κοσμική ακτινοβολία, υπολογίζονται σε επιμέρους στάδια. Πρώτον, οι κάθετες μαγνητικές δυσκαμψίες, δηλαδή η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται ώστε ένα κοσμικό σωματίδιο να φτάσει στην κορυφή της ατμόσφαιρας στην κάθετη κατεύθυνση, υπολογίζονται στα σημεία πλέγματος ενός δικτύου 5 x 5 σε γεωγραφικές συντεταγμένες, χρησιμοποιώντας δεδομένα από το παγκόσμιο δίκτυο μετρητών νετρονίων. Εδώ, το μαγνητικό πεδίο της Γης περιγράφεται από το μοντέλο IGRF και από το μοντέλο Tsyganenko89 για το μαγνητικό πεδίο που προκαλείται λόγω μεταβλητών εξωτερικών πηγών και δυναμικών αλληλεπιδράσεων του ηλιακού ανέμου με τη γεωμαγνητόσφαιρα. Στο δεύτερο βήμα, το φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας στο περιβάλλον κοντά στη Γη έξω από τη γεωμαγνητόσφαιρα περιγράφεται από τα ηλιοκεντρικά δυναμικά. Οι μαγνητικές δυσκαμψίες και ο ρυθμός ροής της κοσμικής ακτινοβολίας κοντά στη Γη είναι η βάση για το τρίτο στάδιο, υπολογίζοντας την ταχύτητα ροής των κοσμικών ακτίνων στην κορυφή της γήινης ατμόσφαιρας για τα 5 Χ 5 πλέγματα. Στο τέταρτο βήμα, για κάθε πλέγμα, γίνεται επεξεργασία της ροής της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας και του ιονισμού των ατόμων και των μορίων στην ατμόσφαιρα σε επιλεγμένα ύψη. Τέλος, οι ρυθμοί δόσης ακτινοβολίας υπολογίζονται για το επιλεγμένο ατμοσφαιρικό βάθος στις καθορισμένες θέσεις από τη δευτερογενή ροής των σωματιδίων, χρησιμοποιώντας αλγορίθμους με τους κατάλληλους συντελεστές μετατροπής ροής δόσης που βασίζονται σε υπολογισμούς FLUKA (Pelliccioni, 2000). Εικόνα 3.10: Η ενέργεια που εναποτίθεται από ένα πρωτόνιο ενέργειας 100 MeV στην ατμόσφαιρα της Γης σε συνάρτηση με το υψόμετρο και το ατμοσφαιρικό βάθος (Πηγή: PLANETOCOSMICS, 2005) 61 Το μοντέλο της Βέρνης είναι μη εμπορικό και χρησιμοποιείται μόνο για επιστημονικούς σκοπούς.

63 Γενικά, ο ρυθμός ισοδύναμης δόσης υπολογίζεται για ένα πλέγμα 5 x 5 μεταξύ 90 S και 90 N και 0 έως 360 σε γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος αντίστοιχα. Στη συνέχεια ο ρυθμός μπορεί να απεικονιστεί σε contour γραφήματα (καμπύλες ίσων δόσεων) για μία συγκεκριμένη ημερομηνία που μπορεί να καθοριστεί από το χρήστη και σε υψόμετρο 10,5 χιλιόμετρων. Οι τιμές του ρυθμού δόσης ακτινοβολίας υπολογίζεται κάθε έξι ώρες (0000 UT, 0600 UT, 1200 UT, και 1800 UT) και είναι διαθέσιμοι από 1/6/2009 έως 3/3/2012. Οι τιμές των συντελεστών δόσης ακτινοβολίας για τον χρόνο που καθορίζει ο χρήστης προσδιορίζονται με γραμμική προσαρμογή στο χρόνο σε διαδοχικούς χρόνους για τους οποίους έχουν υπολογιστεί ήδη οι ρυθμοί της δόσης. Από την πλατφόρμα που παρέχεται από τη σελίδα κατασκευάζουμε τα γραφήματα καμπύλων ίσων δόσεων για μία μείωση Forbush, πραγματοποιήθηκε στις 17 Φεβρουαρίου 2011 (Εικόνα 3.11). Από τα γραφήματα φαίνεται ξεκάθαρα η μείωση της ισοδύναμης δόσης χάρη στο χρωματικό κώδικα σε όλα σχεδόν τα γεωγραφικά πλάτη (κυρίως στα μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη), εξαιτίας της μείωσης της έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια τέτοιων γεγονότων. 62

64 Εικόνα 3.11: Ο ρυθμός ισοδύναμης δόσης πριν και κατά τη διάρκεια μίας μείωσης Forbush ( Παρατηρούμε πως η δόση που λαμβάνεται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη είναι μεγαλύτερη συγκριτικά με τα μεσαία ή μικρά γεωγραφικά πλάτη, ανεξάρτητα από το αν μία μείωση Forbush λαμβάνει χώρα. Τα αποτελέσματα αυτά συμβαδίζουν με τους χάρτες επιφυλακής έντονης ηλιακής ακτινοβολίας από το μοντέλο CARI-6, με τις περιοχές 1 και 2 να λαμβάνουν τους υψηλότερους ρυθμούς δόσης. Το PLANETOCOSMICS είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη μειώσεων Forbush ή GLEs καθώς παρέχει πλήθος ωριαίων τιμών. Παρόλ αυτά λόγω περιορισμένου αριθμού δεδομένων, δεν είμαστε σε θέση να προσομοιώσουμε κάποιο άλλο γεγονός. 63

65 Μοντέλο EPCARD Το EPCARD (European Program Package for the Calculation of Aviation Route Doses) δημιουργήθηκε από το Γερμανικό Ινστιτούτο Έρευνας για την Περιβαλλοντική Υγεία (Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt - GmbH) με την υποστήριξη της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και του Πανεπιστημίου Siegen Γερμανίας. H Γερμανική Αρχή Πολιτικής Αεροπορίας, το Ομοσπονδιακό Γραφείο Πολιτικής Αεροπορίας (LBA) και το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας της Γερμανίας (PTB) έχουν εγκρίνει επίσημα την έκδοση EPCARD 3.34 το Δεκέμβριο του 2003 για χρήση για το ιπτάμενο προσωπικό για θέματα δοσιμετρίας. Το λογισμικό EPCARD.Net ver. Professional επικυρώθηκε από το PTB και πιστοποιήθηκε από την LBA στις 23 Απριλίου, Μεταξύ των χρηστών του λογισμικού αυτού περιλαμβάνονται μεγάλες γερμανικές αεροπορικές εταιρείες όπως η Lufthansa, η Condor Flugdienst, η LTU International και ο φορέας παροχής διεθνών υπηρεσιών αεροπορικών εταιρειών ASISTIM GmbH. Το πρόγραμμα EPCARD προσομοιώνει εικονικά μια πτήση (με χρονική ανάλυση 1 λεπτού) στο πεδίο ακτινοβολίας που παράγεται από δευτερογενή κοσμικά σωματίδια. Βασίζεται στο ενεργειακό φάσμα των νετρονίων, των πρωτονίων, των φωτονίων, των ηλεκτρονίων, των ποζιτρονίων, των μιονίων και των πιονίων που υπολογίζεται με τη βοήθεια του κώδικα FLUKA - Monte Carlo σε διάφορα υψόμετρα στην ατμόσφαιρα της Γης έως το επίπεδο της θάλασσας, για όλες τις πιθανές φυσικές παραμέτρους της ηλιακής δραστηριότητας και της θωράκισης από το γεωμαγνητικό πεδίο. Κατάλληλοι αλγόριθμοι με συντελεστές μετατροπών ροής σε δόση χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ισοδύναμης δόσης (Mares et al., 2007; 2009). Η διαδικτυακή πλατφόρμα που παρέχεται ( επιτρέπει στο χρήστη να υπολογίζει απευθείας την ισοδύναμη δόση που δέχεται ένας επιβάτης κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης πτήσης εξαιτίας της κοσμικής ακτινοβολίας σε υψόμετρο μεταξύ 5 25 χιλιομέτρων. Επιπρόσθετα, δίνεται η δυνατότητα υπολογισμού της δόσης που συσσωρεύεται κατά την παραμονή διάρκειας 1 ώρας σε οποιαδήποτε θέση πτήσης στην ατμόσφαιρα. Η πλατφόρμα επιτρέπει στο χρήστη να ρυθμίσει διάφορες παραμέτρους πτήσης, όπως την ημερομηνία πτήσης, τη χρονική διάρκεια της πτήσης, τους χρόνους απογείωσης και προσγείωσης, το ύψος πτήσης αλλά και τη μετάβαση σε διαφορετικά υψομετρικά επίπεδα πτήσης, δίνοντας τη δυνατότητα για χρήση έως και 12 διαφορετικών επιπέδων. Κάνοντας χρήση του προγράμματος αυτού (στα 10.5 χιλιόμετρα υψόμετρο, με διάρκεια απογείωσης και προσγείωσης 1 ώρα συνολικά και ένα επίπεδο πτήσης) υπολογίστηκε η ισοδύναμη δόση κατά τη διάρκεια των πτήσεων Αθήνα Λονδίνο και Μόσχα Λονδίνο (ίδια χρονική διάρκεια αλλά κίνηση σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη). Και εδώ παρατηρείται πως ένα άτομο λαμβάνει υψηλότερη ισοδύναμη δόση όταν πετάει σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη (Εικόνα 3.12). 64

66 Η μέτρηση αυτή πραγματοποιείται για τις 17 / 5 /2012, όπου έλαβε χώρα ένα GLE. Παρατηρούμε πως η μέση δόση που υπολογίστηκε με το CARI-6 για το 2012 για την πτήση Αθήνα Λονδίνο είναι 13.2 msv, όπως και με το EPCARD. Για την πτήση, όμως, Μόσχα Λονδίνο παρατηρούμε απόκλιση στη δόση (17.2 msv με το CARI-6, έναντι των 19 msv με το EPCARD). Βλέπουμε, λοιπόν, πως κατά τη διάρκεια ενός έντονου γεγονότος ηλιακής προέλευσης, η ισοδύναμη δόση αυξάνεται, με τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη να επηρεάζονται σχεδόν αποκλειστικά, καθώς η πληθώρα των GLEs δεν καταγράφεται σε μεσαία ή μικρά πλάτη. 65 Εικόνα 3.11: Υπολογισμοί ισοδύναμων δόσεων με την πλατφόρμα EPCARD (Πηγή:

67 Εικόνα 3.13: Υπολογισμοί της ισοδύναμης δόσης για διάφορες πτήσεις από αεροδρόμια της Γερμανίας με το πρόγραμμα EPCARD (Πηγή: Το EPCARD έχει χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ισοδύναμης δόσης για πληθώρα πτήσεων. Ενδεικτικά, δίνονται μερικές στην Εικόνα Παρατηρούμε πως η ισοδύναμη δόση αυξάνεται ανάλογα με τη διάρκεια πτήσης. Παρόλ αυτά, υπάρχουν πτήσεις με μία μέση διάρκεια, που όμως εμφανίζουν μεγάλη ισοδύναμη δόση. Τέτοια είναι κυρίως τα υπερατλαντικά ταξίδια, π.χ. Μόναχο Ν. Υόρκη Μοντέλο PCAIRE Το μοντέλο PCAIRE (Predictive Code for AIrcrew Radiation Exposure) είναι ένα ημιεμπειρικό μοντέλο που υπολογίζει την έκθεση σε ακτινοβολία για πληρώματα αεροσκαφών και τους συχνούς ταξιδιώτες ( με μία από τις μεγαλύτερες βάσεις δεδομένων πτήσεων. Ένας μεγάλος ανιχνευτής ακτινοβολίας, ευαίσθητος σε κοσμικές ακτίνες, χρησιμοποιήθηκε για εκατοντάδες πτήσεις σε όλο τον κόσμο. Το πεδίο ακτινοβολίας καταγράφηκε κάθε λεπτό κατά μήκος κάθε μίας από αυτές τις πτήσεις. Η ανάλυση αυτών των δεδομένων οδήγησε στην ανάπτυξη των μαθηματικών συναρτήσεων κατάλληλων για τον 66

68 υπολογισμό παραμέτρων για κάθε πτήση, σε οποιοδήποτε υψόμετρο και οπουδήποτε στον κόσμο. Πολλά από τα δεδομένα αυτά συλλέγονται σε εμπορικά ή και στρατιωτικά αεροσκάφη σε συνεργασία με το Βασιλικό Στρατιωτικό Κολλέγιο του Καναδά από το Όλα τα δεδομένα κανονικοποιούνται με βάση τα ηλιοκεντρικά δυναμικά και διορθωτικές συναρτήσεις για το υψόμετρο. Το PCAIRE λαμβάνει υπόψη τις διακυμάνσεις της κοσμικής ακτινοβολίας που προκαλείται από τον ηλιακό κύκλο. Στο τέλος κάθε μήνα, οι βάσεις δεδομένων ενημερώνονται με τις τελευταίες μετρήσεις της ηλιακής δραστηριότητας, ενώ ταυτόχρονα χρησιμοποιεί και δεδομένα από δορυφόρους σε πραγματικό χρόνο για την απόκτηση πληροφοριών σχετικά με τις ηλιακές εκλάμψεις και τα φάσματα των διάφορων σωματιδίων. Οι πληροφορίες αυτές χρησιμοποιούνται ως βάση για τον υπολογισμό και την εκτίμηση της επιπλέον δόσης που προκύπτει από ηλιακά γεγονότα στο υψόμετρο πτήσης, ενώ παράλληλα χρησιμοποιούνται και σε προσομοιώσεις με FLUKA ή LUIN. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια ενιαία συσχέτιση όλων των δεδομένων ρυθμού δόσης έναντι της κατακόρυφης μαγνητικής δυσκαμψίας. Αυτό επιτρέπει τον υπολογισμό του ρυθμού δόσης για κάθε παγκόσμια θέση, υψόμετρο και ημερομηνία. Ο κώδικας PCAIRE χρησιμοποιεί τις μαθηματικές αυτές συναρτήσεις για τον υπολογισμό της δόσης που δέχεται ένα άτομο κατά τη διάρκεια μιας δεδομένης πτήσης. Για κάθε πτήση που έχει εισαχθεί, ο κώδικας λαμβάνει υπόψη την ημερομηνία, την ώρα και τη διαδρομή της πτήσης και ανακατασκευάζει το πεδίο ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της πτήσης. Τα αποτελέσματα αθροίζονται και καταγράφονται. Ένα άτομο είναι δυνατόν να εισάγει μια πτήση στο μέλλον και να πάρει μια εκτίμηση της δόσης που θα πάρει. Ωστόσο, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα αλλάζει συνεχώς, και η δόση που τελικά θα λάβει ενδέχεται να είναι αρκετά διαφορετική από την εκτίμηση AVIDOS Η ΑVIDOS (Aviation Dosimetry) είναι μια διαδικτυακή υπηρεσία των Εργαστηρίων Seibersdorf της Αυστρίας συμβεβλημένο με την ιστοσελίδα Διαστημικού Καιρού της ESA ( Αποτελεί ένα ενημερωτικό και εκπαιδευτικό online λογισμικό για την αξιολόγηση της έκθεσης σε γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες σε ύψη πτήσης. Εκτιμά τη δόση για μια διαδρομή μεταξύ δύο τοποθεσιών, ενώ παράλληλα παρέχει σύγκριση της εκτιμηθείσας έκθεση με το φυσικό υπόβαθρο ακτινοβολίας στη Γη. H AVIDOS βασίζεται σε εμπειρικά μοντέλα και σε αριθμητικούς υπολογισμούς που έχουν πραγματοποιηθεί με προσομοιώσεις Monte Carlo (με χρήση του FLUKA) της διέλευσης της κοσμικής ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα και έχει επικυρωθεί από πολυάριθμες μετρήσεις πάνω σε αεροσκάφη. Οι ρυθμοί ροής της κοσμικής ακτινοβολίας μετατρέπονται σε ρυθμούς δόσης χρησιμοποιώντας και εδώ κατάλληλους αλγορίθμους (Pelliccioni, 2000). Μπορεί και υπολογίζει την ισοδύναμη δόση σε υψόμετρο 8 έως 15 χιλιομέτρων, για οποιαδήποτε γεωγραφική θέση και για ολόκληρο τον ηλιακό κύκλο. Οι έκτακτες ηλιακές συνθήκες, όπως 67

69 GLEs, δεν περιλαμβάνονται ακόμα αν και έχει προγραμματιστεί να συμπεριληφθούν κατά την επόμενη αναβάθμιση του λογισμικού. Μία διαδικτυακή εκδοχή του AVIDOS (AVIDOS- Web1.0) παρέχεται στο κοινό με μια απλοποιημένη διαδρομή πάνω από ένα μέγιστο κύκλο μεταξύ των θέσεων αναχώρησης και άφιξης, ενώ παράλληλα παρέχονται και πιο εξειδικευμένα λογισμικά για επιστημονικούς σκοπούς. Ο χρήστης είναι σε θέση να ρυθμίσει διάφορες παραμέτρους, όπως την ημερομηνία της πτήσης, τα σημεία απογείωσης και προσγείωσης, το υψόμετρο και τη χρονική διάρκεια της πτήσης (Latocha et al., 2009). Εικόνα 3.14: Η πλατφόρμα της AVIDOS (Πηγή: H AVIDOS χρησιμοποιεί δεδομένα από τον μετρητή νετρονίων του Πανεπιστημίου της Oulu στη Φινλανδία, ενώ παράλληλα χρησιμοποιεί και το GLE Alert της ομάδας κοσμικής ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου της Αθήνας. Το λογισμικό της AVIDOS είναι διαπιστευμένο με ISO

70 3.2. DYASTIMA-R DYASTIMA Το DYASTIMA (DYnamic Atmospheric Shower Tracking Interactive Model Application) ( αποτελεί μια αυτόνομη εφαρμογή, βασισμένη στο υπολογιστικό πακέτο προσομοιώσεων Geant4, για την προσομοίωση των καταιγισμών των δευτερογενών σωματιδίων που παράγονται στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη και οφείλονται στην κοσμική ακτινοβολία (Agostinelli et al., 2003; Allison et al., 2006; Mrigakshi et al., 2013; Paschalis et al., 2014). Εικόνα 1: Γραφική αναπαράσταση των καταιγισμών των δευτερογενών σωματιδίων μέσα στην ατμόσφαιρα (Paschalis et al., 2016). Η εφαρμογή του DYASTIMA αποτελείται από τρία κύρια μέρη: τη μοντελοποίηση του περιβάλλοντος που επηρεάζει τον καταιγισμό των κοσμικών ακτίνων, κατά τέτοιο τρόπο, ώστε ο χρήστης να μπορεί να το προσαρμόσει στο δικό του σενάριο προσομοίωσης τον προσδιορισμό του σεναρίου προσομοίωσης στο Geant4 και τη χρήση του Geant4 για την προσομοίωση του πραγματικού καταιγισμού και τη διεξαγωγή των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα από μία ποικιλία εφαρμογών, όπως για παράδειγμα το DYASTIMA-R που αναπτύσσεται παρακάτω. 69 Το Geant4 είναι ένα καλά γνωστό πακέτο προσομοίωσης γραμμένο σε C ++ που αρχικά αναπτύχθηκε για την προσομοίωση της φυσικής υψηλών ενεργειών και βαθμιαία ενισχύθηκε,

71 ώστε να εφαρμόζεται και σε χαμηλότερες ενέργειες. Το πακέτο προσφέρει μια τεράστια ποικιλία από επιλογές και μεγάλη υποστήριξη μέσω επίσημων και ανεπίσημων διαδικτυακών κοινοτήτων ( Για όλους αυτούς τους λόγους το Geant4 χρησιμοποιείται σήμερα για μια ποικιλία εφαρμογών, όχι μόνο σε υψηλές ενέργειες αλλά και στην πυρηνική φυσική και στην ιατρική φυσική. Προκειμένου να εφαρμοστεί μια προσομοίωση της διάδοσης των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα, οι φυσικές ποσότητες και διεργασίες που επηρεάζουν την προσομοίωση θα πρέπει να διαμορφωθεί πρώτα. Αυτές αφορούν το φάσμα των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων που φτάνουν στην κορυφή της ατμόσφαιρας, τη δομή της ατμόσφαιρας, το μαγνητικό πεδίο της Γης και τις φυσικές αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μεταξύ των κοσμικών σωματιδίων και τα μόρια της ατμόσφαιρας. Αυτές οι ποσότητες επηρεάζονται από διάφορες παραμέτρους, όπως οι συνθήκες του διαστημικού καιρού, τα τρέχοντα φυσικά χαρακτηριστικά της γήινης ατμόσφαιρας, ο χρόνος και η τοποθεσία για την οποία εκτελείται η προσομοίωση. Εικόνα 2: Το γραφικό περιβάλλον χρήστη του DYASTIMA Η Monte Carlo προσομοίωση απαιτεί πολλές παραμέτρους εισόδου που μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: γενικά χαρακτηριστικά του πλανήτη (ακτίνα, τύπος επιφάνειας, επιφανειακό μαγνητικό πεδίο, επιφανειακή πίεση, επιφάνεια επιτάχυνση της βαρύτητας) ρυθμίσεις σχετικά με Geant4 και τη γεωμετρία της προσομοίωσης (πλάτος περιοχής προσομοίωσης, γεωμετρικό μοντέλο, διαίρεση της ατμόσφαιρας, μεγέθη φυσικής, κομμένο φάσμα παραγωγής, υψόμετρο δέσμης) δομή της ατμόσφαιρας (σύνθεση, προφίλ θερμοκρασίας) υψόμετρο στο οποίο πραγματοποιείται η παρακολούθηση των σωματιδίων φάσματα (τύποι σωματιδίων, ροή, ζενίθιο και αζιμουθιακό εύρος) 70

72 ενεργειακά κατώφλια σχετικά με την παραγωγή, την προσομοίωση ή την παρακολούθηση των σωματιδίων τα πρωτογενή σωματίδια και τις φυσικές αλληλεπιδράσεις τους με τα μόρια της ατμόσφαιρας. Το σενάριο προσομοίωσης περιγράφεται με τη χρήση ενός γραφικού περιβάλλοντος χρήστη (graphical user interface GUI), όπου ο χρήστης ρυθμίζει τις παραμέτρους. Εικόνα 3.15: Αναπαράσταση καταιγισμού ενός κάθετου πρωτονίου με ενέργεια 1 GeV (αριστερά) και 10 GeV (δεξιά), (Paschalis et al., 2014) Εικόνα 3.15: Ο αριθμός των παραγόμενων πρωτονίων, νετρονίων, πιονίων, μιονίων, ηλεκτρονίων, φωτονίων και νετρίνων σε σχέση με το υψόμετρο. Η παραγωγή παρουσιάζει ένα μέγιστο σε υψόμετρο υψόμετρο χιλιομέτρων ενώ τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνιαs είναι τα πιο πολυάριθμα λόγω των σωματιδίων χαμηλής ενέργειας που προέκυψαν από ιονισμό, φαινόμενο Compton, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και Bremsstralung (Paschalis et al., 2014) 71

73 Η έξοδος του προγράμματος παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες σχετικά με τα δευτερογενή σωματίδια σε διάφορα ατμοσφαιρικά στρώματα, όπως τον αριθμό, την ενέργεια, τη διεύθυνση και το χρόνο άφιξής τους. Εικόνα 3: Τα input και output από το DYASTIMA (Paschalis et al., 2016) DYASTIMA-R Το DYASTIMA-R είναι μια νέα εφαρμογή λογισμικού και αποτελεί προέκταση του DYASTIMA. Όπως κάθε Monte Carlo προσομοίωση γίνεται με σκοπό να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων και η μεταφορά της πρωτογενούς και δευτερογενούς ακτινοβολίας μέσα στην ύλη, ιδίως μέσω της χρήσης διαφόρων μέσων, όπως το ανθρώπινο σώμα (ομοίωμα) και η θωράκιση του αεροσκάφους (προαιρετικό). Το DYASTIMA-R χρησιμοποιεί το output που παρέχεται από το DYASTIMA, το οποίο όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, δίνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τα σωματίδια της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας. Με τον τρόπο αυτό, υπολογίζεται ο ρυθμός εναπόθεσης ενέργειας στη μάζα σε ένα κυλινδρικό ανθρώπινο ομοίωμα (1,75 m ύψος, ακτίνας 0,25 m) που αποτελείται από νερό, δηλαδή ο ρυθμός δόσης τόσο για κάθε είδος ακτινοβολίας ξεχωριστά όσο και συνολικά, για διάφορα υψόμετρα μέσα στην ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια, ο ρυθμός δόσης μετατρέπεται σε ρυθμό ισοδύναμης δόσης, με μεθόδους που έχουν αναφερθεί στο Κεφάλαιο 3, με αποτέλεσμα να μπορεί να υπολογιστεί ποιοτικά και ποσοτικά η συνεισφορά των διαφόρων ειδών ακτινοβολίας σε αυτή. 72

74 Εικόνα 4: Σχηματική αναπαράσταση της λειτουργίας της εφαρμογής DYASTIMA-R (Paschalis et al., 2016) Το πρωταρχικό φάσμα της γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας έχει εξαχθεί από το CREME2009 για ήσυχες ηλιακές συνθήκες στο ηλιακό μέγιστο και ελάχιστο, οι οποίες αντιπροσωπεύουν συνθήκες με απουσία γεγονότων από ηλιακά ενεργητικά σωματίδια (Tylka et al., 1997; Weller et al., 2010; Marcus et al.,2012; Nordheim et al., 2015). Το κατώφλι μαγνητικής δυσκαμψίας είναι της τάξης του 0 GV. Κατασκευάζονται τα διαγράμματα του ρυθμού δόσης και του ρυθμού ισοδύναμης δόσης (Παράρτημα Δ) ως συνάρτηση του υψομέτρου για συνθήκες ηλιακού μεγίστου και ηλιακού ελαχίστου (Εικόνα 3.15). Παρατηρείται πως τόσο ο ρυθμός δόσης όσο και ο ρυθμός ισοδύναμης δόσης παίρνουν μεγαλύτερες τιμές κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελαχίστου, λόγω της αρνητικής συσχέτισης της έντασης της γαλαξιακής ακτινοβολίας με την ηλιακή δραστηριότητα. Στη συνέχεια μελετάται η συνεισφορά στους ρυθμούς δόσης των κυριότερων σωματιδίων του καταιγισμού (πρωτόνια, νετρόνια, φωτόνια, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, μιόνια και πιόνια), κατασκευάζοντας τα ραβδογράμματα της Εικόνας Παρατηρούμε πως η συνεισφορά των πρωτονίων στο ρυθμό δόσης, δηλαδή στην εναπόθεση ενέργειας στη μάζα, είναι η μεγαλύτερη όλων. Παρόλ αυτά, τα νετρόνια είναι αυτά που συνεισφέρουν κατά κύριο λόγο στη διαμόρφωση του ρυθμού ισοδύναμης δόσης, καθορίζοντας έτσι και το βιολογικό αποτέλεσμα. Η συνεισφορά των πιονίων είναι σχεδόν αμελητέα σε αυτό το επίπεδο ανάλυσης. Τα αποτελέσματα είναι πρώιμα και χρειάζεται καλύτερη στατιστική για τη διεξαγωγή και άλλων συμπερασμάτων. 73

75 Εικόνα 5: Ρυθμός δόσης (επάνω) και ρυθμός ισοδύναμης δόσης (κάτω) συναρτήσει του ατμοσφαιρικού υψομέτρου κατά τη διάρκεια του ελάχιστου και του μέγιστου του ηλιακού κύκλου. 74

76 Εικόνα 6: Συνεισφορά των διαφόρων τύπων ακτινοβολιών στο συνολικό ρυθμό δόσης για διάφορα υψόμετρα μέσα στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια του ελάχιστου (επάνω) και του μέγιστου (κάτω) του ηλιακού κύκλου. 75

77 Εικόνα 7: Συνεισφορά των διαφόρων τύπων ακτινοβολιών στο συνολικό ρυθμό ισοδύναμης δόσης για διάφορα υψόμετρα μέσα στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια του ελάχιστου (επάνω) και του μέγιστου (κάτω) του ηλιακού κύκλου. 76

78 Καθώς το DYASTIMA-R υπολογίζει την ισοδύναμη δόση για διάφορα είδη σωματιδίων σε διαφορετικά ατμοσφαιρικά υψόμετρα και λαμβάνει υπόψη τις φάσεις της ηλιακής δραστηριότητας, καθώς και τη γεωμετρία και τα υλικά θωράκισης των αεροσκαφών, επιτρέπει τη μελέτη των διαφόρων σεναρίων πτήσης. Ως εκ τούτου, μπορεί να έχει μεγάλο ενδιαφέρον για: πληρώματα αεροσκαφών (πιλότοι, αεροσυνοδοί) επιβάτες (που ταξιδεύουν συχνά, έγκυες γυναίκες, παιδιά) αεροπορικές εταιρίες οργανωτές ταξιδιών κατασκευαστές αεροσκαφών νομοθέτες και πολιτικής αεροπορία. Μελλοντικά, το DYASTIMA-R θα συνδυαστεί με το GLE Alert που λειτουργεί στο A.Ne.Mo.S και την ESA (ESA Space Radiation Center) και σύντομα θα μπορεί να παρέχεται ως εργαλείο για μια εκτενή μελέτη της έκθεσης σε ακτινοβολία κατά τη διάρκεια των πτήσεων αεροσκαφών και επανδρωμένων διαστημικών αποστολών. Παράλληλα, θα εφαρμοστεί και σε ατμόσφαιρες άλλων πλανητών, ως συνέχεια εφαρμογής του DYASTIMA (Plainaki et al., 2016). Δημοσιεύσεις που σχετίζονται με το DYASTIMA-R παρουσιάζονται στο Παράρτημα Ε. 77

79 Κεφάλαιο IV Συμπεράσματα και Προοπτικές Ο Διαστημικός καιρός (Space Weather) ή Καιρός του Διαστήματος σχετίζεται με τις μεταβολές του διαπλανητικού πεδίου λόγω των φαινομένων γαλαξιακής και ηλιακής κοσμικής ακτινοβολίας που επηρεάζουν τη γήινη ατμόσφαιρα. Η μελέτη και η έγκαιρη και έγκυρη πρόγνωση των μεταβολών του διαστημικού καιρού κρίνεται απαραίτητη, λόγω των επιπτώσεων σε τεχνολογικά και βιολογικά συστήματα. Σήμερα η μελέτη των μεταβολών του διαστημικού καιρού βρίσκεται στην αιχμή της επιστήμης λαι πραγματοποιείται με διάφορα μέσα, όπως δορυφόρους, ανιχνευτές Cherenkov, ανιχνευτές μιονίων και επίγειους μετρητές νετρονίων. Οι μετρητές νετρονίων κρίνονται ως οι πιο αξιόπιστοι, και ταυτόχρονα οι πιο οικονομικοί, για τη μελέτη της διαμόρφωσης της κοσμικής ακτινοβολίας και την ανίχνευση μακρόχρονων και βραχύχρονων μεταβολών του διαστημικού καιρού λόγω του μεγάλου χρόνου ζωής τους, της μεγάλης ενεργού διατομής τους αλλά και της εύκολης προσβασιμότητας τους. Παράλληλα, τα δεδομένα τους είναι διαθέσιμα άμεσα για επεξεργασία. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μία πρόβλεψη διαστημικού καιρού σε πραγματικό χρόνο, πρέπει να χρησιμοποιούνται αποκλειστικά και μόνο δεδομένα πραγματικού χρόνου από δίκτυο μετρητών. Έτσι, η δημιουργία του Παγκόσμιου Δικτύου Μετρητών νετρονίων, με μετρητές διασκορπισμένους σε διάφορα γεωγραφικά μήκη και πλάτη, αλλά και η τεχνολογία «πραγματικού χρόνου» δίνει τη δυνατότητα καταγραφής του συνόλου του ενεργειακού φάσματος και την καταγραφή, διόρθωση και διάθεση των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Αυτό αποτελεί άριστο εργαλείο πρόβλεψης της άφιξης των διαπλανητικών μεταβολών στη Γήινη ατμόσφαιρα, σε συνδυασμό με δεδομένα από δορυφόρους και ανιχνευτές μιονίων. Παράλληλα, η Βάση Δεδομένων Μετρητών Νετρονίων ( παρέχει τα δεδομένα κοσμικής ακτινοβολίας πραγματικού χρόνου από το Παγκόσμιο Δίκτυο σε ψηφιακή μορφή και γραφήματα. Ο Μετρητής Νετρονίων της Αθήνας (Athens Neutron Monitor Station ANEMOS), με κατώφλι κατακόρυφης μαγνητικής δυσκαμψίας 8.53 GV, είναι ο τέταρτος σε σειρά σταθμός που λειτουργεί σε «πραγματικό χρόνο», ήδη από τα τέλη του 2000 με ανάλυση έως και 1 sec, παρέχοντας το σύνολο των δεδομένων του διαδικτυακά ( Είναι ο μοναδικός σταθμός στην περιοχή των Βαλκανίων και το ανατολικό τμήμα της Μεσογείου, και είναι ιδιαίτερα χρήσιμος τόσο για επιστημονικούς όσο και εκπαιδευτικούς σκοπούς. 78 Ο Μετρητής Νετρονίων και η Ομάδα Κοσμικής Ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου Αθηνών συμμετέχουν ενεργά στη μελέτη και πρόγνωση του διαστημικού καιρού ως expert

80 group στο πρόγραμμα «Space Situational Awareness SSA» της ESA, παρέχοντας δύο υπηρεσίες, Multi-Station Data και GLE Alert, οι οποίες είναι διαθέσιμες μέσω του ESA Space Weather Portal ( Άλλες υπηρεσίες του Σταθμού είναι η καθημερινή έκδοση δελτίου πρόβλεψης διαστημικού καιρού, καθώς και άλλες εφαρμογές και εργαλεία μελέτης φαινομένων κοσμικής ακτινοβολίας και διαστημικού καιρού. Η έκθεση ενός ατόμου σε ακτινοβολία μπορεί να επιφέρει τόσο στοχαστικά αποτελέσματα και μη στοχαστικά αποτελέσματα. Τα μη στοχαστικά αποτελέσματα εμφανίζονται όταν η δόση ξεπεράσει μία δόση κατωφλίου και συνήθως εκδηλώνονται άμεσα, με τη βλάβη να είναι σφοδρότερη όσο μεγαλύτερη είναι η δόση. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η καταστροφή των αιμοφόρων αγγείων, ο καταρράκτης του οφθαλμού και η ελάττωση της γονιμότητας. Αντίθετα, για τα στοχαστικά αποτελέσματα δεν υπάρχει δόση κατωφλίου και μπορούν να εκδηλωθούν ακόμα και από μηδενική δόση, ενώ τα αποτελέσματα είναι απώτερα, με την πιθανότητα εμφάνισης της βλάβης να συνδέεται με το μέγεθος της δόσης. Σε αυτά περιλαμβάνεται η καρκινογένεση και η γενετική επιβάρυνση. Η μελέτη των επιδράσεων της ακτινοβολίας περιγράφεται με διάφορα δοσιμετρικά μεγέθη. Τα πιο χαρακτηριστικά είναι: η δόση, η ισοδύναμη δόση και η ενεργός δόση. Η δόση σχετίζεται με την ενέργεια που απορροφάται από τη μάζα του υλικού. Παρόλ αυτά, δεν δίνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τη βιολογική επίδραση της ακτινοβολίας στην ύλη. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιείται η ισοδύναμη δόση, η οποία βασίζεται στον παράγοντα βαρύτητας της ακτινοβολίας, ο οποίος καθορίζει τη βιολογική επίπτωση των διαφόρων ειδών ακτινοβολίας. Οι πιο βαρείς πυρήνες, καθώς και τα νετρόνια, έχουν ιδιαίτερα βλαβερές επιδράσεις στη βιολογική ύλη. Τέλος, η ενεργός δόση λαμβάνει υπόψη και τις ιδιαιτερότητες του οργάνου που δέχεται την ακτινοβολία, καθώς κάποια όργανα παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στην επίδραση της ακτινοβολίας σε σχέση με άλλα. Κάθε μέτρο προστασίας από την ακτινοβολία, έχει ως σκοπό την ελαχιστοποίηση της έκθεσης του ανθρώπου σε ακτινοβολίες, καθώς καμία έκθεση σε ακτινοβολία, όσο μικρή κι αν είναι, δεν πρέπει να θεωρείται ακίνδυνη. Έτσι, στόχος της ακτινοπροστασίας είναι τόσο ο περιορισμός των στοχαστικών όσο και η πρόληψη των μη- στοχαστικών αποτελεσμάτων που οφείλονται στην έκθεση σε ακτινοβολία. Οι βασικές αρχές ακτινοπροστασίας είναι οι εξής: 79

81 Τεκμηρίωση (Justification), σύμφωνα με την οποία δεν επιτρέπεται καμία έκθεση σε ακτινοβολία, εκτός αν η επιδιωκόμενη ωφέλεια είναι μεγαλύτερη από το πιθανό δυσμενές βιολογικό αποτέλεσμα και τους συνεπαγόμενους. Βελτιστοποίηση (ALARA = As Low As Reasonably Achievable), σύμφωνα με την οποία κάθε έκθεση σε ακτινοβολία θα πρέπει να γίνεται στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα, λαμβάνοντας υπόψη οικονομικούς και κοινωνικούς παράγοντες. Όρια δόσεων (Dose Limits), σύμφωνα με τα οποία η ισοδύναμη δόση που δέχεται κάθε άτομο ξεχωριστά δεν πρέπει να υπερβαίνει τα όρια που έχουν προταθεί για κάθε περίπτωση. Για το γενικό πληθυσμό το όριο είναι 1 msv ετησίως. Η κοσμική ακτινοβολία αποτελεί φυσική ακτινοβολία υποβάθρου, αποτελώντας περίπου το 15 % της συνολικής ακτινοβολίας που δέχεται ο πληθυσμός στην επιφάνεια της Γης. Παρόλ αυτά, η δόση που δέχονται τα πληρώματα αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών είναι σαφώς μεγαλύτερη. Για το λόγο αυτό, τα πληρώματα των σκαφών οφείλουν να αντιμετωπίζονται ως εργαζόμενοι στον τομέα των ακτινοβολιών και να υπάγονται σε ειδικούς κανόνες ακτινοπροστασίας. Η διοίκηση και το προσωπικό των αεροπορικών επιχειρήσεων υποχρεούνται να διασφαλίσουν ότι η τηρείται αρχή της ALARA ώστε να ελαχιστοποιηούνται οι επιπτώσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας. Ειδική μεταχείριση οφείλουν να έχουν οι έγκυες. Οι επιπτώσεις από την ακτινοβολία στην υγεία των πληρωμάτων αεροσκαφών μπορεί να είναι άμεσες («σύνδρομο ακτινοβολίας») ή μακροπρόθεσμες (στοχαστικά ή / και μη στοχαστικά). Τα άμεσα συμπτώματα συνδέονται με τα υψηλής έντασης ηλιακά γεγονότα, ενώ οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις οφείλονται κυρίως στην μακρόχρονη έκθεση στις χαμηλές δόσεις των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων. Η δόση που δέχονται τα πληρώματα αεροσκαφών επηρεάζεται ουσιαστικά από τους εξής παράγοντες: τον ηλιακό κύκλο, το υψόμετρο ή ατμοσφαιρικό βάθος, το γεωγραφικό πλάτος, τη διάρκεια πτήσης. Η ένταση της γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας παρουσιάζει αρνητική συσχέτιση με την ηλιακή δραστηριότητα (ενδεκαετής κύκλος). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, η δόση λόγω γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων να παίρνει τη μέγιστη τιμή της στο ηλιακό ελάχιστο. Παρόλ αυτά, η δόση μπορεί να αυξηθεί ραγδαία κατά τη διάρκεια έντονων ηλιακών γεγονότων, όπως πρωτονικών γεγονότων και επίγειων επαυξήσεων της κοσμικής ακτινοβολίας, τα οποία εμφανίζουν μεγαλύτερη συχνότητα στο μέγιστο του ηλιακού κύκλου. Η δόση παράλληλα αυξάνεται με το υψόμετρο, το γεωγραφικό πλάτος και τη χρονική διάρκεια της πτήσης. 80

82 Διάφορα μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη των βιολογικών και τεχνολογικών επιπτώσεων της ηλιακής και γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας, τα οποία βασίζονται τόσο σε προσομοιώσεις όσο και σε συλλογή πραγματικών δεδομένων. Τα κυριότερα μοντέλα και λογισμικά που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της δόσης που δέχονται τα πλρώματα των αεροσκαφών είναι τα εξής: SIEVERT CARI-6 PLANETOCOSMICS / MAGNETOCOSMICS EPCARD PCAIRE AVIDOS Πολλά από τα μοντέλα αυτά έχουν πιστοποιηθεί απο φορείς της χώρας τους αλλά διεθνείς οργανισμούς. Μερικοί από αυτούς τους κώδικες βασίζονται στην προσομοίωση της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας με προσομειώσεις Monte Carlo, άλλοι χρησιμοποιούν αναλυτικές λύσεις του προβλήματος με αριθμητικούς υπολογισμούς, ενώ άλλοι που βασίζεται κυρίως στην προσαρμογή σε πειραματικά δεδομένα. Η συμφωνία μεταξύ των λογισμικών θεωρείται πλήρως ικανοποιητική. Παρόλ αυτά, συνιστάται ότι κάθε κωδικός που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της έκθεσης και της δόσης λόγω κοσμικής ακτινοβολίας σε υψόμετρα πτήσεις θα πρέπει να επικυρώνεται και από πειραματικά δεδομένα. Τα μοντέλα αυτά παρέχουν διαδικτυακά ειδικές πλατφόρμες, όπου ο χρήστης είναι σε θέση να δημιουργήσει διαφορετικά προφίλ πτήσεων και να υπολογίσει τη δόση που θα δεχθεί. Στην εργασία αυτή, έγιναν υπολογισμοί με τα παραπάνω μοντέλα, για τον καθορισμό της ισοδύναμης δόσης που μπορεί να δεχθεί ένα άτομο σε συνήθεις πτήσεις που πραγματοποιούνται από το αεροδρόμιο της Αθήνας προς διάφορους προορισμούς. Οι πτήσεις αυτές, που χαρακτηρίζονται από διαφορετική χρονική διάρκεια, είναι οι εξής: Αθήνα Ελσίνκι (4 ώρες) Αθήνα Ρώμη (2 ώρες) Αθήνα Λονδίνο (4 ώρες) Αθήνα Βερολίνο (3 ώρες) Αθήνα Παρίσι (3 ώρες) Αθήνα Νέα Υόρκη (11 ώρες) Αθήνα Σύδνεϋ (20 ώρες) Αθήνα Τόκυο (14 ώρες) Μόσχα Αθήνα (4 ώρες). ενώ παράλληλα χρησιμοποιούνται και δύο πτήσεις ίσης χρονικής διάρκειας, που όμως πραγματοποιούνται σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη. Αυτές είναι οι εξής: Μόσχα Αθήνα (4 ώρες) Μόσχα Λονδίνο (4 ώρες). 81

83 Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται για το χρονικό διάστημα , το οποίο περιλαμβάνει το μέγιστο και την καθοδική φάση του 23ου ηλιακού κύκλου, το εκτεταμένο ελάχιστο μεταξύ των κύκλων 23 και 24 και την ανοδική φάση και το μέγιστο του 24ου ηλιακού κύκλου. Από την επεξεργασία των δεδομένων προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Η ισοδύναμη δόση λόγω γαλαξιακής κοσμικής ακτινοβολίας γίνεται μέγιστη στο ελάχιστο του ηλιακού κύκλου και εάχιστη στα μέγιστα, λόγω της αρνητικής συσχέτισης της έντασης της κσομικής ακτινοβολίας και της ηλιακής δραστηριότητας. Η ισοδύναμη δόση αυξάνεται όσο αυξάνεται η χρονική διάρκεια της πτήσης, με συνέπεια ένα άτομο να λαμβάνει τη μεγαλύτερη ισοδύναμη δόση στις διαδρομές Αθήνα Τόκυο, Αθήνα Σύδνεϋ και Αθήνα Ν. Υόρκη (από 0.05 έως 0.07 msv) και τη μικρότερη στη διαδρομή Αθήνα Ρώμη (0.005 msv). Η ισοδύναμη δόση αυξάνεται με το γεωγραφικό πλάτος. Η πτήση σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη (Μόσχα Λονδίνο) αποφέρει μεγαλύτερη δόση σε σχέση με την πτήση Αθήνα Λονδίνο. Η ισοδύναμη δόση αυξάνεται κατά τη διάρκεια έντονων ηλιακών γεγονότων, π.χ. πρωτονικών γεγονότων ή επίγειων επαυξήσεων της κοσμικής ακτινοβολίας, με τις πτήσεις που πραγματοποιούνται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη να επηρεάζονται. Η ισοδύναμη δόση μειώνεται κατά τη διάρκεια μίας μείωσης Forbush, με τα μεγάλα και μεσαία γεωγραφικά πλάτη να επηρεάζονται κατά κύριο λόγο. Η ανάγκη για καλύτερη κατανόηση των επιδράσεων της κοσμικής ακτινοβολίας στον άνθρωπο και τα ηλεκτρονικά συστήματα κατά τη διάρκεια αεροπορικών πτήσεων είναι μεγαλύτερη από ποτέ. Η επέκταση της δοεθνής επιστημονικής έρευνας στο περιβάλλον των αερομεταφορών, η ανάπτυξη αξιόπιστων, νέων συστημάτων μέτρησης που μπορούν να παρέχουν βαθμονομημένα δεδομένα δόσης σε πραγματικό χρόνο για ένα πολυπαραγοντικό και ευμετάβλητο πεδίο ακτινοβολίας, η επέκταση της χρήσης των επίγειων μετρητών νετρονίων αλλά και η διενέργεια μετρήσεων σε πτήσεις κατά τη διάρκεια της έντονων γεγονότων ηλιακής προέλευσης για τη βαθμονόμηση οργάνων και την επικύρωση μοντέλων, είναι μερικά μόνο από τα επόμενα βήματα που θα οδηγήσουν στη βελτίωση της μοντελοποίησης του περιβάλλοντος πτήσης αλλά και στην πληρέστερη ενημέρωση τόσο των εργαζομένων όσο και του κοινού. 82 Μερικές λύσεις για το μετριασμό της έκθεσης σε ακτινοβολία στις αερομεταφορές, ειδικά κατά τη διάρκεια ενός έντονου γεγονότος, περιλαμβάνει την εκτροπή της πτήσης σε

84 χαμηλότερα υψόμετρα και μικρότερα γεωγραφικά πλάτη, αποφεύγοντας τις πολικές περιοχές. Απαραίτητη προϋπόθεση γι αυτό είναι η έγκαιρη πρόβλεψη και καταγραφή τέτοιων γεγονότων, η άριστη επικοινωνία του αεροσκάφους με το κέντρο ελέγχου και η επαρκής ποσότητα καυσίμων. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, παρουσιάζεται μία νέα εφαρμογή που ονομάζεται DYASTIMA-R, το οποίο αποτελεί προέκταση του εργαλείου DYASTIMA και αναπτύχθηκε από το δρ. Παύλο Πασχάλη της ομάδας κοσμικής ακτινοβολίας του Πανεπιστημίου Αθηνών. Το DYASTIMA αποτελεί μια αυτόνομη εφαρμογή, βασισμένη στο υπολογιστικό πακέτο προσομοιώσεων Geant4, για την προσομοίωση των καταιγισμών των δευτερογενών σωματιδίων που παράγονται στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη και οφείλονται στην κοσμική ακτινοβολία. Η έξοδος του προγράμματος παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες σχετικά με τα δευτερογενή σωματίδια σε διάφορα ατμοσφαιρικά στρώματα, όπως τον αριθμό, την ενέργεια, τη διεύθυνση και το χρόνο άφιξής τους. Το DYASTIMA-R είναι μια Monte Carlo προσομοίωση που έχει σκοπό να περιγράψει τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων και τη μεταφορά της πρωτογενούς και δευτερογενούς ακτινοβολίας στη βιολογική ύλη, χρησιμοποιώντας το output που παρέχεται από το DYASTIMA. Το DYASTIMA-R υπολογίζει την ισοδύναμη δόση για διάφορα είδη σωματιδίων σε διαφορετικά ατμοσφαιρικά υψόμετρα και λαμβάνει υπόψη τις φάσεις της ηλιακής δραστηριότητας, καθώς και τη γεωμετρία και τα υλικά θωράκισης των αεροσκαφών, επιτρέπει τη μελέτη των διαφόρων σεναρίων πτήσης. Έτσι, υπολογίζεται ο ρυθμός εναπόθεσης ενέργειας στη μάζα σε ένα κυλινδρικό ανθρώπινο ομοίωμα (1,75 m ύψος, ακτίνας 0,25 m) που αποτελείται από νερό, δηλαδή ο ρυθμός δόσης τόσο για κάθε είδος ακτινοβολίας ξεχωριστά όσο και συνολικά, για διάφορα υψόμετρα μέσα στην ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια, ο ρυθμός δόσης μετατρέπεται σε ρυθμό ισοδύναμης δόσης, με αποτέλεσμα να μπορεί να υπολογιστεί ποιοτικά και ποσοτικά η συνεισφορά των διαφόρων ειδών ακτινοβολίας σε αυτή. Κατασκευάστηκαν τα διαγράμματα του ρυθμού δόσης και του ρυθμού ισοδύναμης δόσης σε συνάρτηση με το ατμοσφαιρικό υψόμετρο για συνθήκες ηλιακού μεγίστου και ηλιακού ελαχίστου. Είναι φανερό πως τόσο ο ρυθμός δόσης όσο και ο ρυθμός ισοδύναμης δόσης αυξάνονται κατά τη διάρκεια του ηλιακού ελαχίστου. Παράλληλα, μελετήθηκε η συνεισφορά στους ρυθμούς δόσης των κυριότερων σωματιδίων του καταιγισμού (πρωτόνια, νετρόνια, φωτόνια, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, μιόνια και πιόνια). Παρατηρείται πως ενώ η συνεισφορά των πρωτονίων στο ρυθμό δόσης είναι η μεγαλύτερη όλων, τα νετρόνια είναι αυτά που συνεισφέρουν κατά κύριο λόγο στη διαμόρφωση του ρυθμού ισοδύναμης δόσης, καθορίζοντας έτσι και το βιολογικό αποτέλεσμα. 83

85 Προοπτικές Τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής βρίσκονται ακόμα σε πρώιμο στάδιο και γίνονται στα πλαίσια των μελετών του Διαστημικού καιρού και συγκεκριμμένα του προγράμματος ESA SSA Space Rdiation Service Center που έχει ως σκοπό την αξιολόγηση και την τελική ανάπτυξη των Κέντρων αυτών του Eυρωπαϊκου Οργανισμού Διαστήματος ώστε να προχωρήσει στην 3 η φάση του προγράμματος που θα είναι η σύνδεση με τις αεροπορικές πτήσεις και τις δορυφορικές εταιρείες. Η σύγκριση των απoτελεσμάτων μας με τη χρήση του εργαλείου DYASTIMA με τα αποτελέσματα άλλων υπαρχόντων μοντέλων αποτελεί μια επιβεβαίωση του νέου εργαλείου που κατασκευάστηκε με αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων (Paschalis et al., 2015). Χρειάζεται περαιτέρω στατιστική για για τη διεξαγωγή και άλλων συμπερασμάτων και τον καθορισμό των επιπτώσεων και των υπόλοιπων σωματιδίων που περιέχει ένας ατμοσφαιρικός καταιγισμός. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα αυτά θα έχουν τεράστιο ενδιαφέρον για: πληρώματα αεροσκαφών (πιλότοι, αεροσυνοδοί) επιβάτες (που ταξιδεύουν συχνά, έγκυες γυναίκες, παιδιά) αεροπορικές εταιρίες, οργανωτές ταξιδιών κατασκευαστές αεροσκαφών νομοθέτες και πολιτική αεροπορία κλπ. Μελλοντικά, το DYASTIMA-R θα συνδυαστεί με το GLE Alert που λειτουργεί στο A.Ne.Mo.S και την ESA (ESA Space Radiation Center) και σύντομα θα μπορεί να παρέχεται ως εργαλείο για μια εκτενή μελέτη της έκθεσης σε ακτινοβολία κατά τη διάρκεια των πτήσεων αεροσκαφών και επανδρωμένων διαστημικών αποστολών. Γίνονται διαπραγματεύσεις για να αντικαταστήσει άλλα μοντέλα στον αλγόριθμο SPEΝVIS του BIRA Aeromomie Belgium. Παράλληλα, ως συνέχεια εφαρμογής του DYASTIMA, θα εφαρμοστεί και σε ατμόσφαιρες άλλων πλανητών, όπως ήδη έχει εφαρμοστεί στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης με ικανοποιητικά αποτελέσματα (Plainaki et al., 2015). 84

86 Παράρτημα Α Ορισμός Τροχιών Πτήσης Είναι γνωστό ότι η διαδρομή κάθε πτήσης ακολουθεί τη θεωρία των μέγιστων κύκλων. Στην ευκλείδια γεωμετρία, η συντομότερη απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία είναι μία ευθεία γραμμή. Παρόλ αυτά, όταν κινούμαστε σε μία σφαιρική επιφάνεια, η διαδρομή είναι είναι υποχρεωτικά πάνω σε αυτή την επιφάνεια. Έτσι, η ευκλείδια γεωμετρία παύει να ισχύει, με τη γεωμετρία Riemann να παίρνει τη θέση της. Στα πλαίσια αυτής, η συντομότερη διαδρομή (γεωδαισιακή) ανάμεσα σε δύο σημεία αντιστοιχεί σε μέγιστο κύκλο. Η τροχιά της πτήσης είναι ένας μέγιστος κύκλος (Πηγή: Αν θέλουμε να υπολογίσουμε τα ενδιάμεσα σημεία σε ένα μέγιστο κύκλο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ακόλουθη διαδικασία: A = sin((1 - f) * d) / sin(d) B = sin(f * d) / sin(d) x = A * cos(lat1) * cos(lon1) + B * cos(lat2) * cos(lon2) y = A * cos(lat1) * sin(lon1) + B * cos(lat2) * sin(lon2) z = A * sin(lat1) + B * sin(lat2) lat = atan2(z, sqrt(x ^ 2 + y ^ 2)) lon = atan2(y, x) όπου (lon1, lat1) και (lon2, lat2) οι γεωγραφικές συντεταγμένες του σημείου απογείωσης και προσγείωσης αντίστοιχα ( Τέτοιες διαδικασίες είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για δοσιμετρικούς υπολογισμούς πληρωμάτων αεροσκαφών. 85

87 Παράρτημα Β Ισοδύναμη δόση - Sievert Η ισοδύναμη δόση, όπως υπολογίστηκε με το υπολογιστικό πρόγραμμα Sievert ( για το χρονικό διάστημα , δίνεται στον παρακάτω πίνακα Date Athens- Helsinki Athens- Rome Athens- London Athens- Berlin Equivalent Dose (msv) Athens- Paris Athens- N.York Athens- Sydney Athens- Tokyo Moscow- Athens London- Moscow 2/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/

88 2/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/

89 3/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/

90 4/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/

91 5/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ Παράρτημα Γ Ισοδύναμη δόση - CARI-6 Η ετήσια ισοδύναμη δόση όπως υπολογίστηκε με το CARI-6 σε υψόμετρο 10.5 km ( για το χρονικό διάστημα , δίνεται στον παρακάτω πίνακα Date Athens- Helsinki Athens- Rome Athens- London Annual Average Equivalent Dose (msv) Athens- Berlin Athens- Paris Athenσ- N.York Athens- Sydney Athens- Tokyo Moscow -Athens London- Moscow

92 Παράρτημα Δ Δόση και ισοδύναμη δόση - DYASTIMA-R Οι ρυθμοί δόσης και ισοδύναμης δόσης για διάφορα ύψη και διάφορα είδη σωματιδίων στο ηλιακό μέγιστο και ελάχιστο, όπως υπολογίστηκαν με το DYASTIMA-R. Πίνακας Δ1 Altitude (Km) Dose Rate (*10-10 Gy / sec) Minimum Maximum Πίνακας Δ2 Altitude (Km) Equivalent Dose Rate (*10-9 Sv /sec) Minimum Maximum

93 Altitude (Km) Πίνακας Δ3 Dose Rate (*10-10 Gy / sec) Solar Minimum proton neutron gamma e- e+ mu+ mu- pi+ pi

94 Altitude (Km) Πίνακας Δ4 Dose Rate (*10-10 Gy / sec) Solar Maximum proton neutron gamma e- e+ mu+ mu- pi+ pi Altitude (Km) Πίνακας Δ5 Equivalent Dose Rate (*10-9 Sv /sec) Solar Minimum proton neutron gamma e- e+ mu+ mu- pi+ pi

95 Equivalent Dose Rate (*10-9 Sv /sec) Solar Maximum Altitude (Km) proton neutron gamma e- e+ mu+ mu- pi+ pi

96 Παράρτημα Ε Κατάλογος Δημοσιεύσεων Παρουσιάζονται οι δημοσιεύσεις που έχουν προκύψει στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής ερηασίας: 1. A new tool for radiation exposure calculations in aircraft flights during disturbed solar activity periods Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari, Maria Gerontidou and Helen Mavromichalaki European Geosciences Union General Assembly 2016, April 2016, Vienna, Austria Geophysical Research Abstracts: Vol. 18, EGU , Space Radiation exposure calculations during different solar and galactic cosmic ray activities Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari, Maria Gerontidou, Helen Mavromichalaki and P. Nikolopoulou XXV European Cosmic Ray Symposium, 4-9 September 2016, Torino, Italy 3. Space Radiation exposure calculations during different solar and galactic cosmic ray activities Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari, Maria Gerontidou, Helen Mavromichalaki and P. Nikolopoulou XV ECRS 2016 Proceedings 4. Space Radiation Exposure Simulation During Different Phases Of Solar Activity Pavlos Paschalis, Anastasia Tezari, Maria Gerontidou, Helen Mavromichalaki and Sofia Ioannidou Health Physics Society, 50th Midyear Meeting, January 2017, Bethesda, Maryland, USA 95

97 Υπολογισμός δόσεων ακτινοβολίας λόγω κοσμικής ακτινοβολίας σε αεροπορικές πτήσεις 96

98 Υπολογισμός δόσεων ακτινοβολίας λόγω κοσμικής ακτινοβολίας σε αεροπορικές πτήσεις 97

99 98

100 99

101 100

102 101

103 102