Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли: эколого-экономический аспект

А. В. Салагаева
Р. Г. Хлебопрос

Монография 

Институт экономики, управления 
и природопользования

Влияние ВтоРичныХ нейтРоноВ 
коСмичеСкиХ лучей 
нА тРопоСфеРу 
и биоСфеРу земли: 
эколоГо-экономичеСкий АСпект

Рассмотрена проблема радиационной безопасности 
при авиаперелетах. Исследованы вторичные нейтроны. Приведены методы вычисления пространственного распределения нейтронных потоков при максимальной и минимальной солнечной активности и их 
влияние на тропосферу и биосферу Земли. Предложен новый способ прогнозирования изменения радиационного состояния тропосферы в режиме реального времени посредством использования наземной 
глобальной сети нейтронных мониторов и вероятностно-каскадной модели распределения нейтронов 
в атмосфере.

9 785763 830767

ISBN 978-5-7638-3076-7

Предисловие 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
А. В. Салагаева, Р. Г. Хлебопрос 
 
 
 
ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ 
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ  
НА ТРОПОСФЕРУ И БИОСФЕРУ ЗЕМЛИ: 
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ 
 
 
Монография  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2014 

Предисловие 

2 

УДК  502. 211:528.029.6 
ББК 26.234.5 
        С16 
Рецензенты: В. Б. Кашкин, д-р техн. наук,  проф. Сиб. федер. ун-та; 
Ю. Л. Гуревич, д-р физ-мат. наук, проф., гл. науч. сотр. МНЦИ ЭСО 
при Президиуме КНЦ СО РАН 
 
Салагаева, А. В. 
C16            Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и  биосферу Земли: эколого-экономический аспект : монография / 
А. В. Салагаева, Р. Г. Хлебопрос. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2014. – 88 с.  
ISBN 978-5-7638-3076-7 
Рассмотрена проблема радиационной безопасности при авиаперелетах. 
Исследованы вторичные нейтроны. Приведены методы вычисления пространственного распределения нейтронных потоков при максимальной и минимальной 
солнечной активности и их влияние на тропосферу и биосферу Земли. Предложен новый способ прогнозирования изменения радиационного состояния тропосферы в режиме реального времени посредством использования наземной глобальной сети нейтронных мониторов и вероятностно-каскадной модели распределения нейтронов в атмосфере. 
Предназначена для  специалистов, студентов и аспирантов вузов, интересующихся прикладными аспектами физики космических лучей. 
 
Научное издание 
Салагаева Анжелика Валериевна 
Хлебопрос Рем Григорьевич 

ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ  
НА ТРОПОСФЕРУ И БИОСФЕРУ ЗЕМЛИ:  
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ 
Редактор Н. А. Варфоломеева 
Компьютерная верстка Н. Г. Дербенёвой 

Подписано в печать 13.11.2014. Печать плоская. Формат 60×84/16 
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 5,5. Тираж 500 экз. Заказ № 1769 

Издательский центр Библиотечно-издательского комплекса 
Сибирского федерального университета 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 
Тел./факс (391) 206-21-49, e-mail: rio@lan.kras.ru 
Отпечатано Полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса 
Сибирского федерального университета 660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а 
Тел./факс (391) 206-26-49, тел. 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru; http:// lib.sfu-kras.ru 

   Электронный вариант издания см.: 
  http://catalog.sfu-kras.ru
УДК  502. 211:528.029.6 
ББК 26.234.5 
ISBN 978-5-7638-3076-7                                                             © Сибирский федеральный  
                                                                                                           университет, 2014 

Предисловие 
 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
                                  
ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................... 4 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 6 
1. ПЕРВИЧНЫЕ  ГАЛАКТИЧЕСКИЕ  КОСМИЧЕСКИЕ  ЛУЧИ .......................... 9 
1.1. Основные сведения о космических лучах ...................................................... 9 
1.2. Краткая история космических лучей ............................................................ 12 
1.3. Определение интенсивности  космических лучей ...................................... 14 
2.  ПОТОКИ ВТОРИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ В АТМОСФЕРЕ ................................ 17 
2.1. Вторичные космические лучи. Основные свойства  
       нуклонного компонента ................................................................................. 17 
2.2. Вероятностно-каскадный метод  
       вычисления потоков вторичных нейтронов ................................................. 20  
2.3. Геофизический эффект ................................................................................... 22 
2.4. Методы регистрации  вторичных нейтронов ............................................... 27 
3. СОЛНЕЧНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ВТОРИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ ............................ 31 
3.1. Классификация вариаций космических лучей ............................................. 31 
3.2. Природа вариаций космических лучей ......................................................... 36 
3.3. Солнечная модуляция потоков вторичных нейтронов ............................... 39 
3.4. Основы метода коэффициентов связи .......................................................... 42 
4. ОЦЕНКА  ИНТЕНСИВНОСТИ  ВТОРИЧНЫХ  НЕЙТРОНОВ  
     В  ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ   
     В  РЕЖИМЕ  РЕАЛЬНОГО  ВРЕМЕНИ  
     С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  НАЗЕМНОЙ  СЕТИ  
     НЕЙТРОННЫХ  МОНИТОРОВ   
     И  ВЕРОЯТНОСТНО-КАСКАДНОЙ  МОДЕЛИ ............................................... 44 
4.1. Наземная сеть нейтронных мониторов ......................................................... 44 
4.2. Алгоритм вычисления интенсивности потоков  
       вторичных нейтронов в верхней тропосфере  
       в режиме реального времени при различных фазах  
       солнечной активности .................................................................................... 46 
4.3. Оценка уровня предельно допустимой радиационной дозы  
       в атмосфере в режиме реального времени ................................................... 50 
5. ВЛИЯНИЕ  ВТОРИЧНЫХ  НЕЙТРОНОВ  НА  ФИЗИЧЕСКИЕ  
    И  БИОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ  
    В  ВЕРХНЕЙ  И  НИЖНЕЙ  ТРОПОСФЕРЕ ....................................................... 54 
5.1. Космические лучи и климат ........................................................................... 54 
5.2. Влияние атмосферных нейтронов на озоновый слой .................................. 60 
5.3. Влияние солнечной активности  
       на генерацию импульсов радиоволн земной коры ...................................... 64 
5.4. Биологическое воздействие вторичных нейтронов ..................................... 72 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 80 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................... 81 
 

Предисловие 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Основная цель этой книги дать читателю представление о роли атмосферных нейтронов вторичных космических лучей в ядерно-физических, 
геофизических процессах, происходящих в верхней и нижней тропосфере 
и на поверхности нашей планеты. 
Физика космических лучей – сравнительно хорошо разработанный 
раздел современной физики. Природа космического излучения была надежно установлена в начале прошлого столетия. Свойства основных компонентов первичного и вторичного космического излучения – протонов,  
π-мезонов, нейтронов, мюонов, электронов и гамма-квантов – в настоящее 
время хорошо изучены. Следует отметить, что большинство известных 
элементарных частиц (например, π-мезонов, мюонов) были открыты                
в космических лучах как продукты ядерного взаимодействия и распада.  
Поэтому, на первый взгляд, создается впечатление, что ничего принципиально нового в данной области не может произойти. Однако по  некоторым проблемам физики космических лучей решение еще далеко от 
окончательного. К таким проблемам относятся происхождение космических лучей сверхвысоких энергий и влияние космических лучей на атмосферные, геофизические и биологические процессы. Именно изучению 
данных воздействий космических лучей и посвящена большая часть этой 
монографии. 
Основное внимание в монографии уделяется атмосферным нейтронам. Для этого имеются следующие причины. До недавнего времени вторичные нейтроны космических лучей не представляли особого интереса 
для исследователей. Основные исследования были сосредоточены на свойствах преимущественно общеионизующего компонента (мюонов и электронов) космического излучения. Из ядерно-активного компонента основное 
внимание отводилось π-мезонам, поскольку существование этих частиц 
как квантов сильного ядерного взаимодействия было предсказано в теории. 
Изучение атмосферных нейтронов стало актуальным в начале            
1960-х гг., когда началось бурное освоение ближнего космоса и остро 
встал вопрос радиационной защиты экипажей космических кораблей от 
первичного и вторичного излучения во время солнечных вспышек. Именно 
тогда были сделаны первые оценки биологической эквивалентной дозы 
атмосферных нейтронов на поверхности Земли.  
Несколько неожиданным для ученых было открытие значительного 
широтного эффекта для нейтронов космических лучей – в области полярных широт интенсивность потока нейтронов была приблизительно в два 
раза больше  по сравнению с экваториальными широтами. До этого счита

Предисловие 
 

5 

лось, что нейтроны вследствие отсутствия электрического заряда должны 
распределяться равномерно по поверхности планеты. Но так как нейтроны 
обладают магнитным моментом,  они в значительной степени подвергаются  
действию геомагнитного поля. Особая роль в открытии и исследовании 
широтного эффекта атмосферных нейтронов принадлежит российским 
ученым Л. В. Границкому и С. Н. Вернову. 
Еще в конце прошлого века началось изучение влияния космических 
лучей на климат  и сейсмические процессы. Ряд ведущих специалистов            
в этой области предполагают, что космические лучи оказывают существенное воздействие на климат нашей планеты.  
Особый интерес представляет изучение воздействия космических 
лучей, в частности атмосферных нейтронов, на биологические объекты           
и процессы. Родоначальником этих исследований является российский 
биофизик А. Л. Чижевский.  Еще в 1900-х гг. он обнаружил связь событий 
на Солнце и некоторых биологических и социальных процессов, в частности, 
им было отмечено резкое возрастание числа эпидемий в период максимальной солнечной активности. Ему также принадлежат пионерские работы 
по воздействию космических лучей на эритроциты крови. В настоящее 
время экспериментально установлено воздействие атмосферных нейтронов 
на клетки различных культур. Следовательно, можно сделать предположение, что атмосферные нейтроны оказывают значительное воздействие            
на биологическую эволюцию. Этот вопрос подробно рассматривается            
в заключительном параграфе монографии.  
Авторы выражают искреннюю благодарность за предоставленные 
материалы по исследованию атмосферных нейтронов  профессору Сибирского федерального университета  Л. В. Границкому и директору Экологического центра рационального освоения природных ресурсов В. Г. Сибгатулину.

Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли 

6 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Интерес к исследованию  поведения вторичных потоков нуклонов          
в атмосфере, особенно вторичных нейтронов, прежде всего, связан с проблемами радиационной безопасности при межконтинентальных перелетах.  
Известно, что некоторые трассы межконтинентальных перелетов 
проходят [1] вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц, и поэтому во время солнечных 
вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах, где 
проходят трассы пассажирских самолётов, в 20–30 раз [2]. Так, во время 
гигантской солнечной вспышки [3] 23 февр. 1956 г. мощность дозы возросла в 45 раз, а во время вспышки 6 апр. 2010 г. − в 100 раз [4]. В настоящее время экипажи некоторых авиалиний предупреждают о начале солнечных вспышек. Так, во время сильнейшей вспышки в ноябре 2003 г. 
экипаж авиакомпании «Дельта» рейса Чикаго – Гонконг вынужден был 
скорректировать маршрут в область более низких широт. Европейский 
Союз принял закон, согласно которому беременным женщинам-пилотам 
запрещается налёт часов с суммарной эквивалентной дозой радиации 
более чем 1,6 мЗв в год [2].Таким образом, разработка нового способа 
вычисления и метода контроля вариаций интенсивности вторичных  
космических лучей с целью получения  оценки уровня предельно           
допустимой дозы (ПДД) облучения является актуальной инженерноэкологической задачей.  
Особое значение приобретает исследование влияния вторичных нейтронов на естественный радиационный фон Земли в периоды максимальной солнечной активности, так как они наиболее активно взаимодействуют 
с ядрами атомов воздуха. Так, эквивалентная доза, получаемая слоем биологической ткани толщиной 20 см при облучении изотропным потоком 
нейтронов на уровне моря, равна 162 ± 5 Зв/год [5−7] , что приблизительно 
составляет 50 % от общего радиационного фона Земли. Более того, известно, что  вторичные нуклоны, в отличие от общеионизующего компонента 
вторичных космических лучей, обладают значительным широтным эффектом [8−13] − максимальная интенсивность вторичных нуклонов приходится на полярные широты. Для вторичных нуклонов эффект солнечной           
модуляции в сотни раз больше, чем для обшеионизующего компонента 
(электронов и мюонов), т. е. интенсивность вторичных нуклонов во время 
солнечных вспышек увеличивается в десятки раз (во время некоторых 
вспышек − в сотни), соответственно увеличивается и уровень естественного 
радиационного фона Земли.  

Введение 
 

7 

Интенсивность -го компонента космического излучения и мощность 
эквивалентной дозы связаны линейной зависимостью. Поэтому для оценки 
степени радиационной опасности при авиационных перелетах очень важно 
знать пространственное распределение каждого компонента вторичного 
космического излучения:  ядерно-активного (вторичные нейтроны, протоны, π-мезоны),  общеионизующего компонента (мюоны, вторичные электроны) и гамма-квантов.  
Обычно задача распределения -го компонента космического излучения решается методом составления уравнения переноса [14−25]. Для получения аналитических решений распределения вторичных космических 
лучей в атмосфере данный метод сопряжен со значительными математическими трудностями и в слабо поглощающих средах имеет ограниченное 
применение. Эта теория дает точные результаты в предельном случае, когда 
σпг
σвз 0, где  σпг – сечение поглощения,  σвз  – полное сечение взаимо
действия [26]. Для нейтронов, например, данное соотношение не выполняется, и обычно используются различные приближения для решения уравнения переноса [15, 23]. Это существенно снижает ценность результатов.  
Для нахождения высотного распределения вторичных космических 
лучей в атмосфере более продуктивен метод, основанный на применении 
марковских процессов к поведению первичных нуклонов в атмосфере, − 
процесс соударения первичного протона с ядром атома воздуха является 
случайным, первичный протон не  помнит предыдущего столкновения. 
Этот метод был применен в работе [26] для высотного распределения         
π-мезонов. Суть данного метода состоит в следующем. В соответствии с 
различными статистическими теориями множественного рождения частиц 
и  экспериментальными данными [20, 23–24, 26–31] предположим, что 
кратность генерации частиц в элементарном акте пропорциональна ⁄ , 
где – энергия первичной частицы. Коэффициент пропорциональности a 
(кг/моль), стоящий перед ⁄ , в выражении ⁄  для кратности 
множественного рождения частиц с атомным весом , равен 1,8⁄   
(кг/моль). Так как для воздуха 14,5, то 3,3  и 3,3⁄ . Пусть 
средняя энергия π-мезонов и нуклонов одинакова. Тогда, поскольку ведущая частица уносит энергию β⁄ , средняя энергия π-мезонов и нуклонов 
будет β,0,31 β⁄ . В данной работе принято значение 

β 0,5. Далее вводится функция Ψ, ((ГПа) – атмосферное давление на некоторой высоте  ), характеризующая вероятность столкновения 
первичного нуклона с ядром атома воздуха, в результате которого генерируются вторичные частицы. Предполагается, что рождение вторичных частиц происходит до тех пор, пока энергия первичного нуклона не станет 
менее 1 ГэВ. Для упрощения расчетов вводится следующее допущение: 

Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли 

8 

столкновения нуклонов происходят на глубинах λ, 2λ, 3λ,  где λ  – длина 
свободного пробега нуклонов до взаимодействия (90 г/см2).  
Пространственное распределение вторичных космических лучей находится методом коэффициентов связи [14,26,32], которые осуществляют 
связь между вариациями первичных и вторичных космических лучей. Для 
вторичных космических лучей характерен широтный эффект  – максимальное значение интенсивности i-го компонента приходится на высокие 
географические широты. Для вторичных нейтронов значение широтного 
эффекта достигает 50 %. Для общеионизующего компонента широтный 
эффект несколько меньше.  Возрастания интенсивности вторичных космических лучей во время солнечных вспышек – эффект солнечной модуляции, для нуклонного компонента в среднем превышает 2 000 %, но во время наиболее мощных солнечных вспышек,   например вспышек  23 февр.  
1956  г. и 6  апр.  2010 г.,  модуляционный эффект достигал 5 000−10 000 %. 
Для общеионизующего компонента эффект солнечной модуляции практически не проявляется даже во время сильнейших солнечных вспышек.  Например, во время сильнейших вспышек 23 февраля 1956 г. и в апреле 2010 г. 
возрастание интенсивности мюонов и электронов составило около 10 %.  
Таким образом, с помощью аналитических решений для высотного         
и пространственного распределения нейтронов и общеионизующего компонента можно построить математическую модель планетарного распределения вторичных космических лучей и, соответственно, мощности радиоактивной дозы. Кроме этого, контроль естественного радиационного 
фона посредством наземных нейтронных мониторов поможет в случае повышенной солнечной активности корректировать маршрут авиаперелетов. 

1. Первичные галактические космические лучи 
 

9 

1. ПЕРВИЧНЫЕ  ГАЛАКТИЧЕСКИЕ  
КОСМИЧЕСКИЕ  ЛУЧИ 
 
 
1.1. Основные сведения о космических лучах 
 
Под космическим излучением будем понимать высокоэнергетичный 
поток заряженных и нейтральных частиц на границе атмосферы (100 км) 
со средней энергией 109–1012 эВ [26, 31, 33–34]. Космические лучи классифицируются по их происхождению: метагалактические, галактические, 
солнечные, лучи в межпланетном пространстве. Основной состав галактических космических лучей (рис. 1.) подразделяется на протоны (92 %), 
альфа-частицы (7 %), релятивистские электроны (1 %), тяжелые и легкие 
ядра (≤ 1 %). Ядра, в свою очередь, подразделяются на следующие группы: 
легкие ядра L c зарядом 3÷5, средние ядра М с зарядом 6 ÷ 9, тяжелые ядра 
с зарядом  ≥  10, очень тяжелые ядра VH с зарядом  ≥ 20 и самые тяжелые 
ядра SH с зарядом ≥ 30 (≤ 1 %). Поток галактических космических лучей 
имеет высокую изотропию, т. е. интенсивность галактических лучей одинакова по всем направлениям. Из рис. 1  видно, что химический состав  
ядер космических лучей фактически совпадает с химическим составом 
Метагалактики, однако относительное содержание элементов группы L 
(Li, Be, B) больше на 5–6 порядков. 
По мере прохождения земной атмосферы первичные космические 
лучи теряют энергию и генерируют вторичное излучение, так что лишь 
немногие частицы достигают поверхности Земли. 
Исследование космических лучей представляет большой интерес для 
астрофизики и космологии. Распространение и генерация космических лучей несет основную информацию о различных физических процессах в метагалактическом пространстве. Галактические космические лучи играют 
важную роль в нашей Галактике и во Вселенной: плотность их энергии 
сравнима с плотностью кинетической энергии плазмы, магнитных полей       
и светового излучения звезд. Свойства космических лучей существенно зависят от их положения в Галактике. При приближении к звездам их энергетический спектр (рис. 2, 3) и ядерный состав сильно изменяются, особенно в низкоэнергетичной  области – ≤ 1 ГэВ. В области низких энергий 
поток космических лучей изменяется в десятки раз во время максимальной 
солнечной активности. Поэтому не имеет смысла рассуждать о средних 
значениях интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава низкоэнергичных космических лучей. 
Особый интерес представляет проблема происхождения космических 
лучей сверхвысоких энергий (до 1021 эВ). В настоящее время данная про

Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли 

10 

блема пока не имеет удовлетворительного решения. Предполагается, что 
космические лучи сверхвысоких энергий имеют метагалактическое происхождение, так  как  галактическое магнитное поле не в состоянии удерживать длительное время лучи такой энергии, и коэффициент анизотропии 
для них достигает 21%. Источниками генерации космических лучей сверхвысоких энергий являются, по всей видимости, квазары. Механизм распространения космических лучей сверхвысоких энергий пока остается загадкой. Дело в том, что в процессе распространения космических лучей 
взаимодействие с веществом ограничивает верхнюю границу возможной 
энергией 1019 эВ – предел Грейзена-Кузьмина-Зацепина [35,36], но внегалактические космические лучи обладают энергией в 100 раз большей. Наличие данного эффекта было подтверждено наблюдениями  обсерватории 
Пьера Оже в марте 2009 г. на  уровне значимости более 20σ, результаты 
были опубликованы в 2012 г. [37]. 
 

 
Рис. 1. Относительный химический состав галактического потока 
космических лучей на границе верхней атмосферы [26] 
 
В настоящее время физика космических лучей подразделяется на  
космофизический и ядерно-физический аспекты. Они, в свою очередь, 
подразделяются на три направления: астрофизику высоких энергий и физику элементарных частиц. На базе этих основных направлений сформировалось новое направление astroparticle physics.