PROYECTO HUMANO

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    Rayos cósmicos: Partículas muy energéticas procedentes del universo.

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    Rayos cósmicos: Partículas muy energéticas procedentes del universo.

    Mensaje por Invitado el Jue Nov 04, 2010 7:28 am

    ¿Qué es una "partícula energética"?

    En el día a día medimos energías en el orden de los julios. Aún más familiar es el vatio, unidad en la que se expresa la potencia, que es la energía consumida por unidad de tiempo. No obstante, estas unidades de medida no son adecuadas cuando hablamos de partículas elementales con masas masas ínfimas, como los protones y los electrones.

    Los físicos de partículas y rayos cósmicos miden la energía en electrón-voltios (eV). Un electrón-voltio es la energía que adquiere un electrón o un protón al que se somete a una diferencia de potencial de un voltio. Por ejemplo, si tuviéramos una batería de 4.5V en el vacío, y pusiéramos un protón entre sus bornes, el voltaje aceleraría el protón y le haría adquirir una energía de 4.5 eV.

    Esta no es una energía demasiado alta. Los electrones y protones en la corona solar, donde la temperatura ronda el millón de grados centígrados, tienen una energía media de 100 eV. Pero cuando hablamos de rayos cósmicos, hablamos de energías mucho mayores. Para que sean detectados a nivel del suelo, los rayos cósmicos que inciden en la atmósfera de la tierra deben de tener, al menos, una energía mínima de cerca de 450 millón eV, o 450 MeV (de Mega electrón-voltio).


    Rayos cósmicos


    Los rayos cósmicos que inciden en la tierra han sido analizados, y conocemos su espectro de energías a partir de diferentes medidas. Esta figura muestra un resumen de las observaciones a lo largo de un amplio rango de energías (ver ilustración aquí). Los rayos cósmicos más energéticos medidos tenían una energía por encima de los 100 millones de billones de eV (1020 eV). Esta es la energía de una pelota de tenis lanzada a 100 km/h, sólo que en el caso de una partícula de alta energía, toda ella estaría concentrada en un diminuto protón.
    Estas partículas tienen diferentes orígenes:

    * Los rayos cósmicos con energías cercanas al millar de millones de electrón-voltios, (10^9 eV, abreviado GeV, de giga electrón-voltio) proceden del Sol y de otras fuentes de nuestra Galaxia. El espectro se curva en esta región porque el acceso de los rayos cósmicos procedentes del exterior del sistema solar al interior el mismo, se ve reducido por la acción del campo magnético del Sol.



    * El flujo permanente de rayos cósmicos que no procede del sol, sino de otras fuentes de nuestra propia galaxia, o incluso desde más allá de ella. Las partículas cuya energía se encuentra por encima de 10 GeV, penetran sin problemas en el sistema solar interior sin ser afectadas por el campo magnético del sol. Estas partículas tienen un espectro prácticamente lineal en la gráfica. Como dicha gráfica representa el logaritmo del flujo de partículas en función del logaritmo de la energía de las mismas, el espectro es en realidad una ley de la potencia F(E) ~E-p.

    * Tras una inspección minuciosa, es posible darse cuenta de que existen discontinuidades en la ley anterior, por ejemplo, cerca de 3x1015 eV (que se denomina la rodilla del espectro de los rayos cósmicos), y cerca de 1020 eV (the “ankle”). Estas particularidades permiten distinguir rayos cósmicos de diferentes fuentes. Se cree que los protones con energías por encima de 1015 eV e iones con energías superiores a 1018 eV proceden de fuera de nuestra galaxia.

    Técnicas de medición en tierra

    Los detectores que se utizan para medir rayos cósmicos situados en la superficie de la tierra miden realmente rayos secundarios, como por ejemplo lluvias de elementos originados en la atmósfera de la tierra. Estos detectores puede dividirse en grupos en función de los componentes que miden: nucleones (protones y neutrones), mesones (muones) y componentes electromagnéticas (fotones, electrones, etc.). Describiremos a continuación un tipo específico de detectores a nivel de tierra conocido como monitor de neutrones.

    Impacto: Efectos tecnológicos y biológicos de los rayos cósmicos

    La radiación afecta a la electrónica y a otros equipos tecnológicos expuestos a ella, así como a las células de los seres vivos. Por radiación nos referimos a ondas electromagnéticas (fotones), partículas neutras y con carga eléctrica (electrones,protones, iones de He, también llamados partículas alfa, e iones de otros elementos químicos, a los que nos referiremos como iones pesados en lo sucesivo. La composición de la atmósfera puede verse alterada por la interacción con la radiación. La ionización es un factor clave para la aviación ya que esta afecta a la propagación de las ondas electromagnéticas. El continuo flujo de rayos cósmicos procedentes del sistema solar, así como el variable flujo procedente del Sol afectan a la tecnología y a la vida, si no estuvieran protegidas por la gruesa atmósfera o por el campo magnético de la Tierra. Las condiciones cambiantes de la meteorología espacia provocan diferentes riesgos radiológicos.

    El entorno de las radiaciones naturales puede clasificarse en dos grupos: las partículas atrapadas por las magnetosferas del medio interplanetario en cinturones de radiación, y las agrupaciones de partículas extra-planetarias que comprenden electrones, protones e iones pesados de todos los elementos de la tabla periódica. Los componentes extra-planetarios consisten en partículas de rayos cósmicos galácticos (GCR) y partículas solares energéticas (SEP) vinculadas a eventos solares como las llamaradas y la eyección de masa coronal (CME). En lo sucesivo estudiaremos los efectos que tiene sobre la tecnología y sobre los seres vivos. A continuación se enumeran los modelos computacionales y el papel de los monitores de neutrones para la vigilancia y predicción de radiación extraplanetaria.

    El impacto biológico

    Las partículas energéticas son un riego potencia para la salud, ya que pueden llegar a dañar a las células. Cuando una partícula energética impacta contra una célula, deposita parte de su energía al interaccionar con los electrones y las moléculas que forman la célula. Las consecuencias de esta interacción depende de la especie y de la energía de la partícula (protón, ion, electrón, neutrón, fotón). Cualquier daño causado a las moléculas de la célula, especialmente al ADN, puede tener consecuencias para el futuro de la misma, su capacidad de división y el mantenimiento de su estructura. A su vez, en funcionamiento incorrecto de esta célula puede afectar al tejido u órgano al que pertenece.

    * Una célula dañada puede repararse a si misma. Si no tiene éxito en esta labor, morirá. Si muchas células mueren entonces el órgano dejará de funcionar correctamente.
    * Si la reparación no se hace totalmente bien, la célula puede reproducirse unas cuantas veces más, pero al hacerlo puede transferir los daños a las células hijas. De nuevo, el funcionamiento incorrecto de muchas de las hijas puede causar daños irreversibles al órgano. Las células dañadas que hayan sobrevivido puede a su vez ser precursoras de células cancerígenas.

    La radiación cósmica por lo tanto constituye dos tipos de peligros para los seres vivos:

    * Altas dosis de radiación son una amenaza inmediata para la salud o incluso para la vida. Esto constituye un peligro para la tripulación de vuelos espaciales fuera de la magnetosfera terrestre. Los eventos de partículas energéticas solares están reconocidas como un riesgo crucial para vuelos a la Luna o Marte. El gran evento solar del cuatro de agosto de 1972 sucedió durante el periodo de vuelos del Apolo a la Luna. Podrían haber tenido consecuencias mortales de haber sucedido justo en el momento del vuelo. Por lo tanto, la seguridad de los astronautas es un factor decisivo en los vuelos que se programen en el futuro.
    * Las dosis bajas de radiación no acarrean consecuencias inmediatas, pero son un riesgo a largo plazo. La tripulación de misiones espaciales e incluso la de aviones que viajan repetidamente a través de regiones de la Tierra, cuya atmósfera se encuentra bajo exposición intensa, como es el caso de los polos, se encuentran en esta situación.




    El mapa muestra las dosis de radiación medidas a bordo de la estación espacial Rusa MIR, a través del experimento Nausicaa de la Agencia Espacial Francesa (CNES) durante el aumento de radiación provocado por un evento de partículas solares en octubre de 1989. El diámetro de los círculos indica la dosis de radiación recibida. La órbita de la MIR, a una altitud de 420 km y con una inclinación de 51° con respecto al ecuador de la Tierra, lleva a la estación a través de las regiones polares de Canadá, del Océano Pacífico y del sur de Australia. Las dosis de radiación recibidas allí, tal y como muestra el diámetro de los círculos, están muy por encima de las de otras latitudes, con la excepción de la región débil del campo magnético del sur del Océano Atlántico. Existen también zonas de aumento de radiación que no están debidas a eventos solares sino a la circulación de partículas en el campo magnético de la Tierra.

    Dosis de radiación debidas a los rayos cósmicos.

    Los efectos sobre la salud de la exposición a la radiación depende de la cantidad de energía que absorban los tejidos (cuando más fuerte sea el flujo de las partículas mayor será la energía depositada), pero también depende del tipo de la partícula, su energía, y el órgano específico. Por ejemplo, los rayos X depositan energía de una forma relativamente uniforme en un volumen, mientras que la energía de los neutrones se deposita de forma más localizada, dependiendo de la reacción nuclear que se produzca en el tejido. Los neutrones tienen una mayor capacidad de crear lesiones que los protones de alta energía, electrones o rayos gamma.

    Las dosis de radiación recibidas por el personal a bordo de estaciones espaciales y aeronaves debe ser vigilada, ya que los tiempo de exposición a niveles de bajos de radiación son acumulativos. La unidad utilizada para medir los efectos de la exposición prolongada a niveles bajos de radiación es el Sievert (Rolf Sievert, Físico Sueco 1896 - 1966). Representa la suma de las dosis de radiación absorbidas por diferentes órganos del cuerpo humano, ponderados por (1) la especie de la partícula (mayor peso para partículas alfa y núcleos pesados, neutrones, protones y finalmente fotones y electrones) y (2) la sensibilidad del órgano expuesto a las radiaciones ionizantes.

    A continuación se citan algunos ejemplos de dosis de radiación.

    * La dosis normal debida a la radiactividad ambiente en la Tierra es de media 2.4 mSv por año, con diferencias apreciables entre países. A nivel del mar la contribución de los rayos cósmicos es de aproximadamente 0.3 mSv.
    * Las dosis de radiación recibidas durante una radiografía médica van desde 0.1 a varias decenas de mSv, dependiendo del tipo de radiografía.
    * La dosis típica recibida durante un vuelo transatlántico (Europa - América del Norte) debida a rayos cósmicos galácticos es de 0.05 mSv. Puede aumentarse significativamente en el caso de eventos de partículas energéticas (se han contabilizado aumentos de hasta un factor de 10 en el caso de eventos solares muy fuerte, pero estos eventos son muy poco frecuentes y tienen una duración muy corta como para influir en la dosis anual). A lo largo de los años, viajeros frecuentes o tripulaciones de cabina de vuelo pueden llegar a acumular dosis de unos pocos mSv.
    * Las compañías aéreas tiene ahora el requisito legal de comprobar que sus tripulaciones no reciben, al igual que cualquier otro trabajador, una dosis mayor de 100mSv cada 5 años, ni una dosis mayor a 50mSv anual. Las trabajadoras embarazadas no deben acumular más de 1 mSv hasta el final de su embarazo, ya que el feto está más expuesto y es más vulnerable.
    * La dosis máxima de radiación registrada por el MIR/Nausicaa, mostradas en el mapa de círculos anterior, es de 2 mSv/h.
    * Un vuelo espacial hasta Marte implica una dosis de radiación de 1 Sv atribuibles a los rayos cósmicos. Esta dosis no incluye la correspondiente a eventos solares, que pueden ser mucho mayores y constituir en el momento una seria amenaza para la vida si no se dispone de los escudos adecuados.

    Recopilación desde: http://www.nmdb.eu/

      Fecha y hora actual: Mar Mayo 23, 2017 5:36 pm