太陽極小期の飛行高度における放射線被ばくに対する南大西洋異常の影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9348 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

南大西洋異常 (SAA) は、南大西洋上の地理的領域であり、内側のヴァンアレン放射線帯が特に地球に近くまで伸びています。これは、電離放射線のレベルの大幅な増加と、地球低軌道における宇宙船への関連影響、たとえばそれに対応して国際宇宙ステーション上の宇宙飛行士や電子部品の放射線被曝の増加につながります。都市伝説によると、SAA は民間航空の高度に至るまで、大気中の放射線場にも影響を与えると考えられています。飛行高度での銀河宇宙放射線による遍在放射線被ばくへの追加の寄与を特定し、定量化するために、ユニークな飛行ミッションであるアトランティック・キスにおいて、高度13 kmでSAAの地理的領域を横切る包括的な測定が実行されました。放射線被ばくの増加を示す兆候は見つからなかった。

地球は、磁場と大気によって宇宙放射線から効果的に保護されています1。地磁気場は、地球の表面からある距離にある双極子場に似ています。宇宙からの荷電粒子と大気中で生成された中性子の崩壊生成物は、地球を取り囲むいわゆるヴァン・アレン放射線帯に捕捉されます。しかし、地球の双極子の形をした磁場の軸は地球の回転軸に対してずれて傾いており、その結果、いわゆる南大西洋異常 (SAA) という現象が生じます。アフリカから南アメリカ、赤道から南極までの南大西洋にまたがっており、同等の緯度に比べて地磁気の強さが低下している地域として特徴づけられます2。その結果、内側のヴァン・アレン放射線帯は特に地球近くまで伸びており、その地域の地球近傍空間の放射線レベルが大幅に上昇することになる。この影響は、有人宇宙飛行や、ISS 上の電子部品などに安全上の危険をもたらします。 SAA 通過中の電離放射線レベルの上昇は、ロシア宇宙ステーション MИP (「平和」)3 および ISS 4、5、6 ですでに測定されていました。高度約 420 km で地球を周回している ISS の内部では、2021 年 3 月から 4 月にかけて測定されたシリコンの 1 日平均線量率は約 280 μGy/日であり、ピーク値は数百μGy/分に達しました。 SAAの中心地。線量値は、高度が高く地磁気遮蔽が低い場合でも増加します。たとえば、極軌道にある DLR Eu:CROPIS (ユーグレナグラシリス: 宇宙での複合再生有機食品生産) 衛星に搭載された RAMIS (宇宙放射線測定) 検出器で観測されます。約600km7．図1は、RAMISによって緯度±83°まで測定された、3 mmアルミニウムの平均シールド背後の2021年3月から4月の期間におけるシリコンの線量率のマップを示しています。 SAA の地理的領域は、SAA のコア内でピーク値が 180 µGy/min に達するシリコンの線量率の大幅な増加によって特徴付けられます。

2021 年 3 月と 4 月に DLR Eu:CROPIS 衛星に搭載された RAMIS 装置を使用して測定された、高度 600 km におけるシリコンの吸収線量率 (μGy/分)。

SAA を通過する衛星の放射線損傷の例がオルソンとアミットによっていくつか挙げられており、彼らはまた、より低い高度、つまり「商用高度 5 ～ 10 km の範囲でも SAA によって健康上の問題が生じるのではないか」という疑問を提起しています。ジェット旅行」２．ドイツの人気科学誌「ビルト・デア・ヴィッセンシャフト」の記事では、ヴァン・アレン内側放射線帯が南大西洋地域の民間航空高度での放射線被ばくにも影響を及ぼし、飛行機の放射線量も影響を受けるという噂が植え付けられた。フランクフルトからブエノスアイレスまでのフライトは、東京までのフライトの約1000倍の料金となるが、その記事にはこの記述に対する科学的証拠は示されていない8。それにもかかわらず、この噂はドイツの航空機乗組員の間ですぐに広がり、それ以来懸念の原因となっています。 Federico et al. によって発表された南大西洋地域の航空高度での測定値は、 2015 年には、局所的に線量率が上昇したという兆候は示されていなかったが 9、これらの噂は、例えば、ドイツ地球科学研究センター (GFZ) のウェブページで入手可能な記事によってさらに助長され、「…宇宙からの有害な放射線からの防護が低下する」と示唆している。 SAA地域は「…長距離便の乗客のより高い放射線量」につながる10. さらに、陰謀論者さえも、SAA の地理的地域の高度 12 km での放射線被ばくレベルが大幅に増加したとされることについて、国民が意図的に誤った情報を与えられるだろうと主張している11。さらに、地球低軌道 (LEO) での影響に言及する際に航空と低高度を除外しないという、さらに憂慮すべき情報または誤解を招く情報が、たとえば「SAA」という検索語を使用する Wikipedia によってインターネット上に拡散されています。例えば、SAA との関連で「Auch auf der Erdoberfläche ist die ionisierende Strahlung erhöht」（「電離放射線は地上でも増加している」、ウィキペディアドイツ語版、2023 年 2 月 27 日にアクセス）12 という記述は誤解を招くものです。地上レベルでの電離放射線の測定可能な増加は、地上放射能 (例: 232Th13,14) によって引き起こされます。ただし、この誤解を招く情報の現象はドイツ語圏に限定されません。 provenance de l'espace est plus élevé dans l'Atlantique sud qu'en d'autres point du geo」（「特定の高度において、宇宙から来る放射線のレベルは、地球の他の地点よりも南大西洋の方が高い） "、Wikipedia フランス語版、2023 年 2 月 27 日にアクセス)15 または "Omdat het aardmagneetveld zwakker wordtmet zo'n 5% per eeuw, neemt de bescherming door de Van Allen-gordels ook af en komt de ZAA steeds lager boven het aardoppervlak te liggen" (「地磁気は 1 世紀あたり約 5% ずつ弱まっており、ヴァンアレン帯の遮蔽も同様に減少しており、SAA は地球の表面にますます近づいています。」、Wikipedia オランダ語版、2023 年 2 月 27 日にアクセス）16． SAA の地理的地域の飛行高度では放射線量が高いという都市伝説は、乗客や乗組員の間で懸念を引き起こす可能性がありますが、科学的証拠はまだ裏付けられていません。

航空機乗組員の放射線被ばくおよびそれに対応する放射線防護措置は、国際放射線防護委員会 (ICRP) の勧告に基づく優れた労働安全基準を持ついくつかの国で長年にわたり法的に規制されてきました 17、18、19、20。この規制には、とりわけ、職業放射線被ばくの監視と規定の線量限度の遵守が含まれます。実際には、線量評価は、航空高度での放射線場に寄与するすべての関連コンポーネントを考慮する必要がある大気放射線モデルを使用して実行されます。したがって、必要に応じて、SAA の地理的領域の内側のヴァンアレン放射線帯によって引き起こされる潜在的に重要な成分を定量化し、そのようなモデルに含める必要があります。ドイツ航空宇宙センター (DLR) は、世界中の定期的な測定飛行中に取得した測定値で品質を確認することに成功した PANDOCA (Professional AviatioN DOse CAlculator) モデルを使用して、ルフトハンザドイツ航空などの複数の航空会社の運航線量計算を実行しています。保証。しかし、SAA の地理的領域では、これまでのところ高度 10,500 m までしか検証されていません 21。 PANDOCA には SAA および関連する線量寄与による潜在的な放射線の影響が含まれていないため、高高度での測定値の取得と PANDOCA モデルの計算との比較は、この地域における追加の放射線成分を特定するための実用的な方法です。 SAA の放射線場が民間航空の上空域に接触しているかどうか、つまり、地理的領域で PANDOCA で評価された遍在する銀河放射線成分と比較して放射線被ばくの増加を引き起こすかどうかという質問に答えるためには、興味深いことに、ミッション「アトランティック・キス」は、太陽周期 24 と 25 の間の移行期、つまり太陽極小期に近い 2020 年 6 月に、フランクフルト (FRA) からブエノスアイレス (EZE) までの包括的な測定飛行として計画されました。しかし、このアトランティック・キス・ミッションの実現は、計画終了直後に始まった世界的なSARS-CoV-2（重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2）パンデミック危機のため、キャンセルされなければならなかった。

世界的な SARS-CoV-2 危機は、航空関連の研究に影響を与えただけでなく、ドイツ極地海洋研究センターであるアルフレッド・ウェゲナー研究所 (AWI) にも課題をもたらしました。南極研究基地ノイマイヤーIIIは、2021年の南極の夏の終わりに、南極近くの比較的安全な場所で交換する必要があった。フォークランド諸島はそのための限られた選択肢の1つであるようで、ルフトハンザ・ドイツ航空（DLH）の経営陣はそう考えた。すでに2020年7月にAWIから連絡を受け、ハンブルク（HAM）からフォークランド諸島への直行便が可能かどうか検討するよう要請を受けていた。状況を詳細に分析した結果、エアバスA350を使用したHAM発マウント・プレザント（MPN、東フォークランド）行きの便と、MPNからミュンヘン（MUC）行きのそれぞれの往復便が実現可能であると判断された。これはまた、DLR を関与させ、最終的に SAA の地理的領域を通過する飛行ミッション Atlantic Kiss の実現を可能にするユニークな機会も提供しました。

航空高度における複雑な放射線場は、宇宙起源の一次粒子の衝突と大気との相互作用によって生成され、陽子、中性子、電子、パイオン、ミューオンなどのさまざまな放射線成分で構成されています。放射線の影響は次のような特徴があります。この目的のために、物質内でのそのエネルギーの蓄積とさまざまな線量量が定義されています。基本量は、質量あたりの吸収エネルギーによって与えられる吸収線量です。根底にある相互作用は吸収材料に依存するため、放射線場での同一の曝露状況は、異なる材料では異なる吸収線量の値をもたらします。航空高度での放射線被ばくに対する SAA の潜在的な影響を調査するために、3 つの測定可能な線量量が、PANDOCA モデル計算の対応する予測値、すなわち周囲線量当量 H*(10)、周囲線の中性子成分 HN と比較されました。線量当量 H*(10)、およびシリコン DSi での吸収線量。周囲線量当量 H*(10) は、組織内の吸収線量と放射線場の電離密度に依存する放射線品質係数に基づく演算量です20。 H*(10) は、飛行高度における実効線量、つまり航空機乗組員の職業放射線防護における主要な防護量の保守的な推定量です22。中性子成分 HN は、H*(10) への重要な寄与により特に興味深いものです。さらに、中性子は、それを生成する一次荷電宇宙粒子よりも大気中で広範囲に及ぶ可能性があります。したがって、中性子は大気上層での粒子相互作用のメッセンジャーであり、大気中の放射線強度に関する一般的な情報を提供する中性子モニター (NM) によって検出される地上に到達することもあります 23。さらに貴重な情報は、シリコン DSi の吸収線量から推定できます。シリコン検出器は荷電粒子の影響を特に受けやすく、中性子の影響はあまり受けません24。したがって、DSi は放射線場の非中性子成分に関する情報で HN を補完します。

飛行高度での放射線場に対する SAA の影響は、それぞれの不確実性を考慮した線量量に対して PANDOCA モデル計算 21 からの測定値の大幅な偏差が観察された場合に想定されます。 PANDOCA モデルは、日射調整、地磁気遮蔽、大気遮蔽を考慮した航空高度での計算された線量率を提供します。モデル計算の不確実性は、一次 GCR スペクトル、大気中の一次および二次宇宙放射線の輸送計算、および磁気シールドの有効垂直カットオフ剛性の不確実性から生じます。 GCR からのエクスポージャーを計算するためのモデルの不確実性の合計は、多数の測定キャンペーン 21、28、32、35 によって約 5% ～ 10% であると推定されています。さまざまな線量量の測定値と、GCR による放射線被ばくに関する現在の知識を反映する対応するモデル予測との比較は、放射線分野へのさらなる寄与を特定するのに役立ちます。

アトランティック・キスのミッション中に航空高度で放射線場の3つの異なる線量量H*(10)、HN、DSiを測定するために使用された機器は、2種類の組織等価比例計数管（TEPC）、ベルトホールド中性子プローブLB6411でした。エネルギー範囲が拡張された鉛と 2 つの Liulin-6G シリコン半導体検出器。

配備された 2 台の組織等価比例計数管は、Far West Technology Inc. 製の HAWK 環境放射線モニターバージョン 2 および 3 でした。これらの機器は、線エネルギーの時間分解スペクトルを測定し、これにより周囲線量当量 H*(10) とそれに対応する線量の決定が可能になります。レート。これらの検出器の感知容積は、組織相当のプラスチック (A-150) で作られ、低圧のプロパンガスが充填された直径 127 mm の球体で構成されています。 2 μm 組織内のエネルギー蓄積を模倣するように設計されています。検出された粒子の信号は、2 つの異なるゲインを持つ 2 つのマルチチャンネルアナライザー (MCA) を使用して処理され、線形エネルギー伝達のスペクトルが測定されます。線量当量の計算では、これらのスペクトルが航空高度での対応する線形エネルギー伝達 (LET) スペクトルと直接比較できると想定されています4。低ゲインのアナログ - デジタルコンバータ (ADC) は、チャネルあたり 1.5 keV/μm の分解能で最大 1535 keV/μm の LET スペクトルを測定し、高ゲイン ADC はチャネルあたり 0.1 keV/μm で最大 25.6 keV/μm の LET スペクトルを測定します。どちらの機器も、米国標準技術研究所 (NIST) による標準に追跡可能な情報源を使用して、製造業者によってパシフィックノースウェスト国立研究所で校正されました。校正は外部 Cs-137 源を使用してチェックされました 25,26。

中性子プローブ LB6411-Pb は、周囲線量当量 H*(10) の中性子成分 HN と対応する線量率を測定するために、Berthold Technologies によって設計されました。これは、ヘリウム 3 比例計数管によって検出される中性子を熱化するための直径 25 cm のポリエチレンの球で構成されています。検出器には 10 mm の鉛の外層があり、破砕プロセスにより低エネルギーの二次中性子を生成することにより、高エネルギー中性子への応答を強化します。この機器は、メーカーによって CERN-EU 高エネルギー基準場 (CERF) 施設で校正されました 27。周囲線量当量の割合が 5 分間隔で記録され、表示されます。これらのデータは、航空高度における放射線場の中性子成分と飛行中の予期せぬ影響の評価を可能にするため、特に興味深いものです。

Liulin-6G LET タイプの 2 つの半導体検出器が使用されました。これらは、21.2 mm × 11.2 mm の感知面積を備えたハママツ製 S2744 PIN ダイオードと、粒子束、シリコン DSi での吸収線量、および対応する線量率を測定するための電荷感応型プリアンプに基づいています。 Liulin 検出器は、長年にわたっていくつかの研究グループによって航空分野で広く使用されてきました28。

乗組員と機材の交換のためにフォークランド諸島に頼ることが決定された後、2021年1月と3月に2つの対応するフライトが計画されました（旧HAM 2021年1月31日、MUCへの帰還2021年2月4日、および元HAM 2021年） 03–30、2021–04–03にMUCに戻ります）。しかし、SARS-CoV-2 のパンデミックにより、この飛行ミッションの実現には並外れた制約が課されました。関係するすべての乗務員、つまりルフトハンザドイツ航空、AWI、DLRの乗務員は、包括的な感染予防措置を受ける必要がありました。フォークランド諸島行きの飛行機に搭乗するには、フライトの2週間前からこの目的のために特別に組織されたホテルでの厳格な隔離が始まり、その間にSARS-CoV-2感受性PCR検査で3回陰性であることが求められた。

割り当てられた便名は、ハンブルク発マウント・プレザント（東フォークランド）行きの便がLH2574、ミュンヘン行きの帰り便がLH2575でした。 SAA の地理的領域における放射線被ばくの重要な測定は、2021 年 3 月 30 日の LH2574 便 ex HAM で行われました。交換されたAWI乗組員は非常に少人数であり、特筆すべき重量の装備品も輸送されていなかったため、この飛行ではペイロードが非常に低かった。したがって、航空機は赤道を通過した直後、対象領域に到達する前にすでに高度 43,000 フィート (FL430 とも呼ばれる) まで上昇することができ、残りの飛行中はこの高度に留まりました。さらに、飛行ミッション「アトランティック・キス」は、当時のルフトハンザ航空の最新鋭機 A350 航空機 (登録 D-AIXQ) で実行されました。 LH2574便のタッチダウンは2021年3月31日、協定世界時11時20分にマウント・プレザント空港で15時間46分の飛行時間後に行われ、これもルフトハンザの歴史における新記録を樹立した。東フォークランドに到着すると、ルフトハンザとDLRの乗組員は再び2日間の乗り継ぎの間、スタンレーの選ばれたホテルで厳格な部屋検疫を受けなければならず、その間AWIの乗組員はスタンレー港に停泊している調査船ポーラースターンに移送された。

SAAの地理的領域を通過する飛行ミッション「アトランティック・キス」は、当初、2020年のサイクル24と25の間の太陽極小期に計画されていた。太陽極小期中、飛行高度でのGCRからの被ばく量は最大となり、最適な測定、つまり計数統計が得られる。太陽周期の中で。さらに、宇宙の気象条件は通常、磁気圏擾乱に関して特に安定しており、この過渡期中に太陽粒子イベントが発生する確率は非常に小さいです。太陽活動の影響は、Matthiä et al.29 による GCR モデルを使用したモデルパラメーターである W パラメーターによって表現できます。図 2 は、HAM-MPN と MPN-MUC の両方の飛行について、オウル中性子モニター (NM) の 30 分間の平均計数率から導出された W パラメーターの変化を示しています。飛行全体で平均された NM 計数率は 6784 min-1 と 6753 min-1 で、導出されたモデルパラメーターは、HAM-MPN と MPN-MUC でそれぞれ W = 7.8 と W = 10.7 でした。飛行中に導出された一次粒子フルエンス率の対応する変動は、静かな宇宙気象条件で予想される統計的変動の範囲内でした。つまり、オウル中性子モニター計数率では数パーセント程度から 1% 未満でした。太陽の最大値と最小値の間は 10 ～ 25%。

オウル中性子モニター計数率の 30 分間の平均に基づく W パラメーターの変動。フライトの出発時刻と到着時刻は縦の破線で示されています。

飛行中は、航空高度の放射線場や放射線帯を妨害した可能性のある太陽粒子現象や磁気嵐は観測されませんでした。 2021 年 4 月 5 日の NOAA の宇宙天気ハイライト SWPC PRF 2379 によれば、粒子束は 1 pfu (粒子束単位、1 pfu = 1 秒あたり 1 平方センチメートル、ステラジアンあたり 1 粒子) 未満でした。さらに、参照データの取得には、乱れのない磁気圏が必要です。磁気圏の擾乱は、0 ～ 9 の範囲の Kp 指数によって説明できます。この指数が 31 以下の場合、静かな磁気圏状態であると想定されます。HAM から MPN までの飛行中の Kp 指数は 3 以下でした。 MPNからMUC30までの飛行中は1+以下でした。したがって、宇宙気象条件は、アトランティック・キス飛行ミッション中の基準データの取得に最適でした。

SAA の地理的領域が FL430 で完全に横断されたため、関連する測定データは、HAM から MPN までの LH2574 飛行中に取得されました。ただし、この領域のコア領域は、高度、たとえば参照データを記録するために使用される衛星の軌道に応じて、サイズと位置が変化します。その結果、LH2574の飛行軌跡の対象領域は、-10°から-45°、つまり南緯10°から南緯45°までの緯度の範囲として定義する必要があり、Eu:CROPISで測定された線量率はこの領域でした。衛星は他のどこよりもかなり高かった（図 3 参照）。この地域での飛行時間は 5:04 時間でした。使用される装置のほとんどは、時間分解された線量率を測定します。これらの線量率の測定値を、特に対象領域内で比較しやすくするために、対応するデータが高解像度で飛行データと関連付けられ、時間ではなく緯度に関してデータをプロットすることが可能になります。さらに、統計的不確実性を軽減するために、各機器の線量率の 1 時間平均が計算されます。中性子プローブ LB6411-Pb、Liulin-6G 機器、および 2 つの HAWK の緯度依存の線量率を図 1 と 2 に示します。さらに、PANDOCA を使用した対応するモデル計算が測定値と比較されます。上で定義した飛行レベルと対象領域の境界 (破線) も参考のためにプロットされています。測定値に与えられた不確かさには、平均値の統計的な不確かさと、個々の機器について想定される系統的な不確かさの両方が含まれます。航空線量測定の分野でモデルの計算と測定データを比較する際に一般的に受け入れられている不確実性のレベルは 30% です31。

2021 年 3 月と 4 月に DLR Eu:CROPIS 衛星に搭載された RAMIS 機器を使用して測定された、高度 600 km でのシリコンの吸収線量率 (μGy/分)。灰色の線は、HAM から MPN までの Atlantic Kiss ミッションの飛行軌跡を表しています。飛行ルートの赤いセクションが関心領域とみなされます。

PANDOCA モデル計算と比較した周囲線量当量率の HAWK 2 および HAWK 3 データ (赤線)。飛行プロファイルも表示されます (青い線)。

PANDOCA モデルの地理的緯度と中性子プローブ LB6411-Pb を使用して取得した測定値に依存する中性子の周囲線量当量率 dHN/dt (1 時間平均)。飛行プロファイルも表示されます (青い線)。

PANDOCA モデルの地理的緯度と、Liulin MDU-1 および MDU-2 を使用して取得された測定値 (1 時間平均) に応じたシリコン内の吸収線量の割合。飛行プロファイルも表示されます (青い線)。

両方の HAWK の系統的不確実性は 5% 程度であると想定されます 32。 HAWK バージョン 2 の周囲線量当量率の測定データは、LH2574 のすべての緯度および高度における PANDOCA モデルの計算よりわずかに高くなります。この挙動は体系的な逸脱を反映しており、CONCORD 飛行キャンペーンの結果 (COsmic Radiation Detectors の比較 28) ともよく一致しています。 HAWK バージョン 3 によって取得されたデータは、赤道領域ではモデル計算よりも低いですが、それ以外の点では良好な一致を示しています (図 4)。どちらの HAWK も、SAA からの航空高度での放射線場への追加の重大な寄与の証拠を示していません。

中性子プローブ LB6411-Pb のデータと、中性子による周囲線量率 dHN/dt の PANDOCA 計算は、全体的に良好な一致を示しています (図 5)。機器の系統的不確実性は約 10% と推定されます 33。高緯度から低緯度にかけて、計算された線量率は測定値をわずかに上回った状態からわずかに下回った状態に変化します。これは高度だけでなく緯度、つまり地磁気シールドの複合効果であると思われ、SAA 地域のデータの特別な特徴ではありません。対象領域内で SAA からのかなりの寄与があった場合、単調に観察されたものとは対照的に、-30 度付近で SAA の中心に向かって GCR バックグラウンドを超えて線量率が増加し、その後さらに南に減少することが予想されます。モデル線量率の過小評価が増加している。特に対象領域の南端では、そのような線量率の低下は測定されません。したがって、モデル化された線量率と測定された線量率の間で観察された偏差が、SAA による FL430 の放射線場への追加の中性子の寄与に関連している可能性は非常に低いです。

Liulin-6G の測定データと PANDOCA モデルの計算は全体的によく一致しています (図 6)。使用される 2 台の Liulin-6G モバイル線量測定ユニット (MDU) の系統的不確実性は、約 10% であると推定されています 32。 Liulin MDU-1 は、対象領域でのデータ収集にフル充電された予備の機器を使用できるようにするために、LH2574 で赤道を通過する前に意図的にスイッチがオンにされませんでした。測定値は計算結果と一致しており、SAA 領域に認識できる過剰はなく、この装置が荷電粒子による放射線場への未知の寄与を測定していないことを示しています。

HAM から MPN まで（LH2574）、および MPN から MUC まで（LH2575）のフライトの合計線量値を表 1 に示します。これには、DLR34 で開発された 2 つの追加の M-42 型半導体線量計の積分線量も含まれています。中性子測定は気泡検出器 (BD) 35,36 によってサポートされており、その結果も表 1 にリストされています。 MPN から MUC までの LH2575 便では、感度の低い BD のみが使用され、その結果、統計的不確実性が高い線量値が得られました。 Liulin MDU-1 は赤道を通過した後にのみスイッチがオンになったため、この飛行ではシリコンの総線量は利用できません。使用される線量量の特定の線量値は、飛行プロファイルと持続時間が異なるため、LH2574 と LH2575 では異なります。

アトランティック・キスのミッション中に取得された測定データの結果は、飛行高度 43,000 フィート、つまり 13 メートルの SAA の地理的領域における放射線被ばくに対する内側のヴァン・アレン放射線帯の影響を示すものではありません。 km以下。実際、この結果は驚くべきことではない。なぜなら、通常のエネルギーを持つ陽子によって生成された放射線を内部放射線帯から航空高度まで輸送するための十分に効率的な機構は知られていないからである。捕捉された荷電粒子の軌道は、磁力線に沿った螺旋状のジャイロ運動であり、高度が低いほどピッチが減少します。粒子は最も低い高度でミラーポイントに到達し、より高い高度に向かって跳ね返ります。地上の最低高度は、粒子の速度、初期ピッチ角、地理的位置などのさまざまな変数によって決まります。これが、バンアレン放射線帯の内側が他の地理的領域に比べて低い高度に到達する理由です。地磁気の双極子軸の傾きと移動。 SAA領域であっても、陽子のミラーポイントは高度100km以上にあるため、粒子は大気中に到達しません。 Clilverd et al.37 など、電子が外側放射線帯での軌道から外れて大気中へ降下する多数の現象が記録されているが、同様の現象が発生するかどうかは不明である。内側の放射線帯は大気圏に突入します。しかし、たとえ高エネルギー陽子が大気圏に突入したとしても、その範囲は非常に限られています。 ESA（欧州宇宙機関）の衛星PROBA-V（船上自律植生プロジェクト）に搭載されたエネルギー粒子望遠鏡（EPT）によってSAA内で観測された陽子エネルギースペクトルの分析により、陽子束の減少が示されました。高度 820 km の SAA 内のさまざまな位置では、100 ～ 250 MeV のエネルギー範囲で約 2 桁の大きさです38。垂直入射陽子が FL430 に到達するには、地磁気シールドとは独立した大気シールドがあるため、約 550 MeV のエネルギーが必要となります。さらに、AP8 放射線帯モデルでは、高度 300 km 以下の放射線帯では 500 MeV を超えるエネルギーの陽子束は予測されず、高度 150 km 以下では 100 MeV を超えるエネルギーの陽子束も予測されません。 SPENVIS (SPace ENVironment Information System)、www.spenvis.oma.be で実装されている AP8-min。さらに、内側の放射線帯に捕捉されている荷電粒子のかなりの部分が、特に低い天頂角では大気中に突入することはまったく予想されません。このため、バン・アレン帯は、乗組員や乗客の放射線被ばくに影響を与える可能性のある線源として PANDOCA モデルには含まれていません。理論的な放射線輸送メカニズムは、二次中性子場の生成と大気輸送によって考えられる可能性があります。これを演繹的に排除することはできないが、比較的高い一次陽子束が必要となるだろう。したがって、この放射線輸送メカニズムを排除するには、中性子成分の実験的研究が重要です。

アトランティック・キス・ミッションの測定データは、PANDOCA モデルの計算が一般に受け入れられている不確実性のレベル内にあることを非常によく裏付けています。航空機に搭載されたいくつかの放射線測定は、すでに南大西洋地域で行われている。たとえば、PANDOCA モデル 21 の検証のために DLR によって、同様の太陽周期 23 ～ 24 から前回の移行中に定点およびルートミッションとしてフェデリコら 9 によって行われた。宇宙の気象条件。どちらの飛行ミッションでも、SAA の地理的領域で線量率が局所的に増加する兆候は示されませんでした。しかし、Atlantic Kiss ミッションでは、A350 で高度 13 km の対象地域全体を 1 回の飛行で横断するというユニークな機会が得られました。

この結果は、太陽周期 24 ～ 25 期の移行期の静かな宇宙気象条件中に取得された測定値に基づいており、追加の確認のために、太陽活動が活発な時期、つまり磁気圏が乱れている期間にわたって、対応する測定を繰り返す必要があります。

アトランティック・キスというミッションは、SAAの地理的地域における民間航空高度での放射線被ばくに対するバン・アレン内側放射線帯の潜在的な影響を調査するために計画されており、最終的には2021年にHAMからMPNまでの独自の飛行で実施される可能性がある。世界的なSARS-CoV-2パンデミック危機にもかかわらず、太陽周期24と25の間の移行期に。このミッションの運用条件は、宇宙の静かな天候の間に高度 13 km で対象となる地理的領域全体を横断できたため、最適でした。さらに、放射線モデル PANDOCA を使用した計算は、この高度について調査された線量量の測定データでも確認されました。つまり、SAA は、飛行時の GCR 成分による予想される放射線被ばくに追加の測定可能な寄与を引き起こしません。安定した宇宙気象条件下での民間航空の高度。 SAA の地理的領域における飛行高度での放射線被ばくの増加に関する都市伝説は、SAA 内外の LEO の放射線被ばくの増加とそれに対応する航空機への影響との間の直線的または同様の関係の仮定に基づいていると思われます。内側のヴァン・アレン放射線帯の下にある大気。さらに、この広く広まった誤解は、地上でも電離放射線のレベルが増加していることによって裏付けられているようです。しかし、大気の遮蔽による放射線帯からの粒子の強力な吸収はこの概念では無視されており、地上で測定された放射線の増加は、例えば232Th13,14などの地上放射能によって引き起こされることが証明されている。さらに、高度13kmのLH2574便で取得された測定データは、放射線輸送モデルPANDOCAを使用してPROBA-V衛星に搭載されたSAAで観測された陽子の大気放射線輸送と一致しており、航空機に搭載された以前の放射線測定を裏付けるものである。 Federicoらによる南大西洋地域。およびさまざまな放射線輸送モデルとの比較9。

要約すると、ミッション「アトランティック・キス」の結果は、乗組員や乗客に不必要な懸念を引き起こしたSAAの地理的領域の飛行高度で電離放射線のレベルが一般的に増加するという都市伝説の誤りを暴くのに貢献した。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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エバーハルト・コールバーグ博士 (AWI) と LH2574/LH2575 の素晴らしい乗組員による私たちのミッション Atlantic Kiss への支援に感謝いたします。さらに、オウルの中性子モニターデータを提供してくださったソダンキュラ地球物理観測所とウェブサイトチーム (http://cosmicrays.oulu.fi) に感謝いたします。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。

ドイツ航空宇宙センター、航空宇宙医学研究所、放射線生物学、ケルン、ドイツ

マティアス M. マイヤー、トーマスバーガー、ダニエルマティア、モナ C. プレテンベルグ、カイシェネッテン & マイケルヴィルツ

ルフトハンザドイツ航空、ルフトハンザベーシス、フランクフルト/マイン、ドイツ

トーマス・ヤーン & マルクス・シャイビンガー

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MM、KS、DM、MP は、Atlantic Kiss ミッションを計画および実行し、データを取得および分析し、記事の主要部分を執筆しました。 TB は、Eu:CROPIS 衛星に搭載された RAMIS 機器で測定された SAA の放射線環境に関する情報を提供し、序章に貢献しました。 TJ と MS は、SAA の地理的領域を通って HAM から MPN までの飛行を計画し、科学者と緊密に連絡を取りながらミッションをサポートし、記事の LH2574 便に関する該当部分に貢献しました。 MW は EDP サービスでミッションをサポートし、導入章に貢献しました。

マティアス・M・マイヤーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Meier, MM、Berger, T.、Jahn, T. 他太陽極小期の飛行高度における放射線被ばくに対する南大西洋異常の影響。 Sci Rep 13、9348 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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受信日: 2023 年 3 月 14 日

受理日: 2023 年 5 月 24 日

公開日: 2023 年 6 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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