NASA-forskare som studerar strålning på hög höjd publicerade nyligen nya resultat om effekterna av kosmisk strålning i vår atmosfär. Deras forskning hjälper till att förbättra strålningsövervakning i realtid för flygindustrins besättning och passagerare som arbetar i potentiellt högre strålningsmiljöer.

Föreställ dig att du sitter på ett flygplan. Cruisar genom stratosfären vid 36, 000 fot, du är långt över molnen och fåglarna, och verkligen, mycket av atmosfären. Men, trots dess utseende, denna region är långt ifrån tom.

Precis ovanför dig, högenergipartiklar, kallas kosmiska strålar, zoomar in från yttre rymden. Dessa snabba partiklar kraschar vilt in i molekyler i atmosfären, orsakar en kedjereaktion av partikelsönderfall. Även om vi i stort sett är skyddade från denna strålning på marken, uppe i stratosfärens tunna atmosfär, dessa partiklar kan påverka både människor och elektronik.

Lanserades i september 2015 nära Fort Sumner, New Mexico, NASA:s strålningsdosimetriexperiment, eller RaD-X, använde en gigantisk heliumfylld ballong för att skicka instrument in i stratosfären för att mäta kosmisk strålning från solen och det interstellära rymden. Resultaten, presenteras i ett specialnummer av Rymdväderjournal , visa upp några av de första mätningarna av sitt slag på höjder från 26, 000 till över 120, 000 fot över jorden.

"Mätningarna, för första gången, togs på sju olika höjder, där dosimetriens fysik är väldigt annorlunda, sa Chris Mertens, huvudutredare för RaD-X-uppdraget vid NASA:s Langley Research Center i Hampton, Virginia. "Genom att ha mätningarna på dessa sju höjder kan vi verkligen testa hur bra våra modeller fångar kosmisk strålnings fysik."

Kosmisk strålning orsakas av partiklar med hög energi som ständigt duschar ner från rymden. De flesta av dessa energirika partiklar kommer från utanför solsystemet, även om solen är en viktig källa under solstormar.

Jordens magnetosfär, som fungerar som en gigantisk magnetisk sköld, blockerar det mesta av strålningen från att någonsin nå planeten. Partiklar med tillräcklig energi, dock, kan penetrera både jordens magnetosfär och atmosfär, där de kolliderar med molekyler av kväve och syre. Dessa kollisioner gör att högenergipartiklarna sönderfaller till olika partiklar genom processer som kallas nukleoniska och elektromagnetiska kaskader.

Om du kunde se partiklarna från flygplansfönstret, du skulle märka att de samlas i ett område ovanför planet. Atmosfärens densitet gör att sönderfallet sker övervägande på en höjd av 60, 000 fot, vilket skapar ett koncentrerat lager av strålningspartiklar som kallas Pfotzer maximum.

Strålning i atmosfären kan mätas på två sätt - hur mycket som finns eller hur mycket den kan skada biologisk vävnad. Den senare kallas dosekvivalenten och är standarden för att kvantifiera hälsorisker. Denna kvantitet är notoriskt svår att mäta, eftersom det kräver att man känner till både typen och energin hos partikeln som avsatte strålningen, inte bara hur många partiklar det finns.

Dessa partiklar, både de primära högenergipartiklarna och de sekundära sönderfallspartiklarna, kan ha negativa hälsoeffekter på människor. Kosmisk strålning bryter ner DNA och producerar fria radikaler, som kan förändra cellfunktioner.

RaD-X-uppdraget gjorde mätningar på hög höjd, några av dem har funnits tidigare, för att bättre förstå hur kosmisk strålning rör sig genom jordens atmosfär. Mäta dosekvivalenthastighet över ett höjdintervall, de fann en stadig ökning av hastigheten högre i atmosfären, ett fynd som till synes strider mot koncentrationen av partiklar vid Pfotzer-maximum. Detta kan förklaras av det komplexa samspelet mellan primära och sekundära partiklar på dessa höjder, eftersom de primära partiklarna som finns högre upp har en mycket mer skadlig effekt på vävnaden än de sekundära partiklarna.

På grund av deras tid i jordens övre atmosfär, flygbesättningar inom flygindustrin utsätts för nästan dubbla strålningsnivåerna hos markbaserade individer. Exponering för kosmisk strålning är också ett problem för besättningen ombord på den internationella rymdstationen och framtida astronauter som reser till Mars, som har en strålningsmiljö som liknar jordens övre atmosfär. Att lära sig att skydda människor från strålningsexponering är ett viktigt steg i framtida rymdutforskning.

Resultaten från RaD-X kommer att användas för att förbättra rymdvädermodeller, som Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation for Aviation Safety, eller NAIRAS, modell, som förutsäger strålningshändelser. Dessa förutsägelser används av kommersiella piloter för att veta när och var strålningsnivåerna är osäkra, tillåta omdirigering av flygplan i det drabbade området vid behov.

Medan ballongflygningar som RaD-X är viktiga för att modellera strålningsmiljön, de kan inte tillhandahålla strålningsövervakning i realtid, som NAIRAS kräver för prognoser. NASA:s Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety-program arbetar tillsammans med RaD-X för att utveckla och testa instrument som kan flygas ombord på kommersiella flygplan för realtidsövervakning på höga höjder.

För närvarande, ett instrument som kallas en TEPC - kort för vävnadsekvivalent proportionalräknare - är standardinstrumentet för mätning av kosmisk strålning. Detta instrument är stort, dyr och kan inte byggas kommersiellt - vilket gör den mindre än idealisk för storskalig distribution.

"Vi behöver små, kompakt, solid-state baserade instrument kalibrerade mot TEPC som på ett tillförlitligt sätt kan mäta dosekvivalenterna och kan integreras i flygplan billigt och kompakt, sa Mertens.

Flyguppdraget testade två nya instrument - RaySure-detektorn och Teledyne TID-detektorn - i hopp om att de kan installeras på kommersiella flygplan i framtiden. Dessa nya instrument erbjuder fördelen att de är kompakta och lätta att tillverka. Under RaD-X uppdragstestning, båda instrumenten visade sig vara lovande kandidater för framtida realtid, övervakning på plats.