Impacto de la Anomalía del Atlántico Sur en la exposición a la radiación en altitudes de vuelo durante el mínimo solar

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9348 (2023) Citar este artículo

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La Anomalía del Atlántico Sur (SAA) es una región geográfica sobre el Océano Atlántico Sur donde el cinturón de radiación interior de Van Allen se extiende particularmente cerca de la Tierra. Esto conduce a niveles muy elevados de radiación ionizante y los impactos relacionados en las naves espaciales en órbitas terrestres bajas, por ejemplo, una exposición a la radiación correspondientemente mayor de los astronautas y los componentes electrónicos en la Estación Espacial Internacional. Según una leyenda urbana, se supone que la SAA también afecta el campo de radiación en la atmósfera incluso hasta las altitudes de la aviación civil. Con el fin de identificar y cuantificar cualquier contribución adicional a la exposición a la radiación omnipresente debido a la radiación cósmica galáctica en altitudes de vuelo, se realizaron mediciones exhaustivas cruzando la región geográfica de la SAA a una altitud de 13 km en una misión de vuelo única: Atlantic Kiss. No se encontró ninguna indicación de aumento de la exposición a la radiación.

La Tierra está efectivamente protegida de la radiación cósmica por su campo magnético y su atmósfera1. El campo geomagnético se parece a un campo dipolar a cierta distancia de la superficie de la Tierra. Las partículas cargadas del espacio exterior y los productos de desintegración de los neutrones generados en la atmósfera quedan atrapados en los llamados cinturones de radiación de Van Allen que rodean la Tierra. El eje del campo magnético en forma de dipolo de la Tierra, sin embargo, está desplazado e inclinado con respecto al eje de rotación de la Tierra, lo que da como resultado el fenómeno de la llamada Anomalía del Atlántico Sur (SAA). Se extiende por el Océano Atlántico Sur desde África hasta América del Sur y desde el Ecuador hasta la Antártida y se puede caracterizar como una región con una intensidad de campo geomagnético reducida en relación con latitudes comparables2. Como resultado, el cinturón de radiación interior de Van Allen se extiende particularmente cerca de la Tierra, lo que conduce a niveles de radiación muy elevados en el espacio cercano a la Tierra en la región. Este efecto supone un peligro para la seguridad de los vuelos espaciales tripulados y de los componentes electrónicos, por ejemplo, en la ISS. Ya se habían medido niveles elevados de radiación ionizante durante los tránsitos SAA a bordo de la estación espacial rusa MИP ("paz")3 y a bordo de la ISS4,5,6. Dentro de la ISS, que gira alrededor de la Tierra a una altitud de aproximadamente 420 km, las tasas de dosis diarias promedio en silicio medidas en el período de marzo/abril de 2021 ascendieron a unos 280 µGy/día con valores máximos que alcanzaron varios cientos de µGy/min cerca de el centro de la SAA. Los valores de dosis incluso aumentan a mayores altitudes y menor blindaje geomagnético, por ejemplo, observado con el detector RAMIS (mediciones de radiación en el espacio) a bordo del satélite DLR Eu:CROPIS (Euglena gracilis: producción combinada de alimentos orgánicos regenerativos en el espacio) en una órbita polar en alrededor de 600 km7. La Figura 1 muestra el mapa de las tasas de dosis en silicio para el período de marzo/abril de 2021 detrás de un blindaje promedio de aluminio de 3 mm medido por RAMIS hasta una latitud de ± 83°. La región geográfica del SAA se caracteriza por el fuerte aumento de las tasas de dosis en silicio con valores pico de hasta 180 µGy/min en el núcleo del SAA.

Tasa de dosis absorbida (µGy/min) en silicio a 600 km de altitud medida con el instrumento RAMIS a bordo del satélite DLR Eu:CROPIS en marzo y abril de 2021.

Olson y Amit dan varios ejemplos de daños por radiación en los satélites que pasan a través de la SAA, quienes también plantean la cuestión de si la SAA plantea problemas de salud incluso a altitudes más bajas, es decir, "en el rango de altitud de 5 a 10 km de los aviones comerciales". viaje en avión"2. En un artículo de la popular revista científica alemana "Bild der Wissenschaft", se planteó el rumor de que el cinturón de radiación interior de Van Allen también afectaría la exposición a la radiación en las altitudes de la aviación civil en la región del Atlántico Sur y que la dosis de radiación en un vuelo de Frankfurt a Buenos Aires costaría unas 1000 veces más que un vuelo a Tokio, aunque en ese artículo no se da evidencia científica de esta afirmación8. Sin embargo, este rumor se extendió rápidamente entre los miembros de las tripulaciones aéreas alemanas y ha sido motivo de preocupación desde entonces. Aunque los valores medidos a altitudes de aviación de la región del Atlántico Sur publicados por Federico et al. en 2015 no dio indicios de tasas de dosis aumentadas localmente9, estos rumores fueron fomentados aún más, por ejemplo, por un artículo disponible en la página web del Centro Alemán de Investigación de Geociencias (GFZ) que sugiere que "... la protección contra la radiación dañina del espacio se reduce" en la región SAA que conduce a "... dosis más altas de radiación para los pasajeros de vuelos de larga distancia"10. Además, incluso los conspiradores han afirmado que el público estaría intencionalmente mal informado sobre los supuestos niveles altamente elevados de exposición a la radiación a una altitud de 12 km en la región geográfica de la SAA11. Más información alarmista o engañosa, es decir, que no excluye la aviación y las altitudes más bajas cuando se hace referencia a los efectos en la órbita terrestre baja (LEO), se difunde en Internet, por ejemplo, en Wikipedia utilizando el término de búsqueda "SAA". Por ejemplo, la declaración „Auch auf der Erdoberfläche ist die ionisierende Strahlung erhöht" ("la radiación ionizante incluso aumenta a nivel del suelo", versión alemana de Wikipedia, consultada el 27 de febrero de 2023)12 en el contexto de la SAA es engañosa, ya que el aumento medible de la radiación ionizante a nivel del suelo es causado por la radiactividad terrestre, por ejemplo, 232Th13, 14. Sin embargo, este fenómeno de información engañosa no se limita a los países de habla alemana, por ejemplo, "Pour une altitude donnée, le niveau de radiations en procedence de l'espace est plus élevé dans l'Atlantique sud qu'en d'autres points du globe" ("A una altitud dada, el nivel de radiación proveniente del espacio es mayor en el Atlántico Sur que en otros puntos del globo ", versión francesa de Wikipedia, consultada el 27 de febrero de 2023)15 o "Omdat het aardmagneetveld zwakker wordt met 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" ("Dado que el campo geomagnético se está debilitando en un 5% por siglo, el blindaje de los cinturones de Van Allen también está disminuyendo y el SAA se está acercando cada vez más a la superficie de la Tierra", versión holandesa de Wikipedia, consultada el 27 de febrero de 2023 )dieciséis. Aunque la leyenda urbana de mayores dosis de radiación a altitudes de vuelo en la región geográfica de la SAA podría causar preocupación entre los pasajeros y las tripulaciones, aún no ha sido respaldada por ninguna evidencia científica.

La exposición a la radiación de las tripulaciones aéreas y las correspondientes medidas de protección radiológica han sido legalmente reguladas en varios países con estándares de seguridad ocupacional superiores basados en las recomendaciones de la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) durante muchos años17,18,19,20. Las regulaciones incluyen, entre otras cosas, el monitoreo de las exposiciones ocupacionales a la radiación y el cumplimiento de los límites de dosis estipulados. En la práctica, la evaluación de la dosis se lleva a cabo utilizando modelos de radiación atmosférica que deben tener en cuenta todos los componentes pertinentes que contribuyen al campo de radiación en las altitudes de la aviación. Por lo tanto, un componente potencialmente sustancial causado por el cinturón de radiación interior de Van Allen en la región geográfica de la SAA debe cuantificarse e incluirse en dichos modelos, si es necesario. El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) realiza cálculos de dosis operativas para varias aerolíneas, por ejemplo, Lufthansa German Airlines, utilizando el modelo PANDOCA (Professional AviatioN DOse CAlculator) que se ha comprobado con éxito con valores de medición adquiridos durante vuelos de medición regulares en todo el mundo para determinar la calidad. garantía. Sin embargo, en la región geográfica del SAA solo se había verificado hasta los 10.500 m de altitud hasta el momento21. Dado que PANDOCA no incluye ningún efecto de radiación potencial debido al SAA y las contribuciones de dosis relacionadas, la adquisición de mediciones en altitudes más altas y la comparación con los cálculos del modelo PANDOCA es un método práctico para identificar cualquier componente de radiación adicional en esta región. Para responder a la pregunta de si el campo de radiación del SAA toca o no el espacio aéreo superior de la aviación civil, es decir, si provoca un aumento de la exposición a la radiación en comparación con la omnipresente componente de radiación galáctica evaluada con PANDOCA en la región geográfica de interés, la misión Atlantic Kiss se planeó como un vuelo de medición integral desde Frankfurt (FRA) a Buenos Aires (EZE) para junio de 2020 cerca de la transición entre el ciclo solar 24 y 25, es decir, durante las condiciones de mínimo solar. Sin embargo, esta realización de la misión Atlantic Kiss tuvo que cancelarse debido a la crisis pandémica mundial del SARS-CoV-2 (Síndrome Respiratorio Agudo Severo CoronaVirus 2) que se desató poco después de que se terminara la planificación.

La crisis mundial del SARS-CoV-2 no solo afectó la investigación relacionada con la aviación, sino que también planteó un desafío para el Instituto Alfred Wegener (AWI), el Centro Alemán de Investigación Polar y Marina, ya que los científicos y la tripulación del buque de investigación Polarstern y el La estación de investigación antártica Neumayer III tuvo que ser cambiada en un lugar relativamente seguro cerca de la Antártida a finales del verano antártico de 2021. Las Islas Malvinas parecían ser una de las opciones limitadas para este fin y la dirección de Lufthansa German Airlines (DLH) AWI ya lo contactó en julio de 2020 con la solicitud de examinar si sería posible un vuelo sin escalas desde Hamburgo (HAM) a las Islas Malvinas. Un análisis detallado de la situación mostró que se consideró factible un vuelo de HAM a Mount Pleasant (MPN, East Falkland) utilizando un Airbus A350 y un vuelo de regreso respectivo de MPN a Munich (MUC). Esto también ofreció una oportunidad única para involucrar a DLR y finalmente hacer posible la realización de la misión de vuelo Atlantic Kiss a través de la región geográfica de la SAA.

El campo de radiación complejo en altitudes de aviación se genera al chocar con partículas primarias de origen cósmico y sus interacciones con la atmósfera y consta de varios componentes de radiación como protones, neutrones, electrones, piones, muones, etc. Los efectos de la radiación se caracterizan por la Para ello se han definido la deposición de su energía en la materia y diferentes cantidades de dosis. La cantidad fundamental es la dosis absorbida dada por la energía absorbida por masa. Dado que las interacciones subyacentes dependen del material absorbente, una situación de exposición idéntica en un campo de radiación conduce a valores diferentes para la dosis absorbida en diferentes materiales. Con el fin de investigar los efectos potenciales del SAA sobre la exposición a la radiación en altitudes de aviación, se compararon tres cantidades de dosis medibles con las predicciones correspondientes de los cálculos del modelo PANDOCA, a saber, la dosis ambiental equivalente H*(10), el componente de neutrones HN del ambiente dosis equivalente H*(10), y la dosis absorbida en silicio DSi. La dosis ambiental equivalente H*(10) es una cantidad operativa basada en la dosis absorbida en el tejido y un factor de calidad de la radiación que depende de la densidad de ionización del campo de radiación20. H*(10) es un estimador conservador de la dosis efectiva a altitudes de vuelo, es decir, la cantidad de protección primaria en la protección radiológica ocupacional de la tripulación22. El componente de neutrones HN es de particular interés debido a su importante contribución a H*(10). Además, los neutrones pueden tener rangos mayores en la atmósfera que las partículas cósmicas cargadas primarias que los generan. Por lo tanto, los neutrones son mensajeros de las interacciones de las partículas en la atmósfera superior e incluso pueden llegar al suelo donde son detectados por Monitores de Neutrones (NM), que brindan información general sobre la intensidad de la radiación en la atmósfera23. Se puede deducir más información valiosa de la dosis absorbida en silicio DSi. Los detectores de silicio son particularmente susceptibles a las partículas cargadas y poco sensibles a los neutrones24. Por lo tanto, DSi complementa HN con información sobre el componente no neutrónico del campo de radiación.

Se supondría un impacto de la SAA en el campo de radiación en altitudes de vuelo si se observara una desviación significativa de los valores de medición de los cálculos del modelo PANDOCA21 para cualquier cantidad de dosis teniendo en cuenta las incertidumbres respectivas. El modelo PANDOCA proporciona tasas de dosis calculadas a altitudes de aviación teniendo en cuenta la modulación solar, el blindaje geomagnético y el blindaje atmosférico. Las incertidumbres en los cálculos del modelo surgen de las incertidumbres en los espectros de GCR primarios, los cálculos de transporte de la radiación cósmica primaria y secundaria en la atmósfera y las rigideces de corte vertical efectivas para el blindaje magnético. Las incertidumbres combinadas del modelo para el cálculo de las exposiciones de GCR han sido estimadas por numerosas campañas de medición21,28,32,35 en alrededor del 5% al 10%. La comparación de las mediciones de las diferentes cantidades de dosis con las predicciones del modelo correspondiente, que reflejan nuestro conocimiento actual de la exposición a la radiación debido a GCR, puede ayudar a identificar contribuciones adicionales al campo de radiación.

Los instrumentos utilizados para medir las tres cantidades de dosis diferentes H*(10), HN y DSi del campo de radiación a altitudes de aviación durante la misión Atlantic Kiss fueron dos tipos de contadores proporcionales equivalentes de tejido (TEPC), una sonda de neutrones Berthold LB6411- Pb con rango de energía ampliado y dos detectores de semiconductores de silicio Liulin-6G.

Los dos Contadores Proporcionales Equivalentes de Tejido desplegados fueron monitores de radiación ambiental HAWK versión 2 y 3 fabricados por Far West Technology Inc. Estos instrumentos miden espectros de energía lineal resueltos en el tiempo que permiten determinar la dosis ambiental equivalente H*(10) y su dosis correspondiente tasa. El volumen sensible de estos detectores consiste en una esfera de 127 mm de diámetro fabricada en plástico equivalente al tejido (A-150) y llena de gas propano a baja presión. Está diseñado para imitar el depósito de energía en tejido de 2 µm. Las señales de las partículas detectadas se procesan mediante dos analizadores multicanal (MCA) con dos ganancias diferentes para medir espectros de transferencia de energía lineal. Para el cálculo de la dosis equivalente, se supone que estos espectros se pueden comparar directamente con los correspondientes espectros de transferencia lineal de energía (LET) a altitudes de aviación4. El convertidor analógico a digital (ADC) de baja ganancia mide espectros LET de hasta 1535 keV/µm con una resolución de 1,5 keV/µm por canal y el ADC de alta ganancia de hasta 25,6 keV/µm con 0,1 keV/µm por canal. Ambos instrumentos fueron calibrados en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico por el fabricante con fuentes que son trazables a los estándares del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). La calibración se comprobó con una fuente externa de Cs-13725,26.

La sonda de neutrones LB6411-Pb fue diseñada por Berthold Technologies para medir el componente de neutrones HN de la dosis ambiental equivalente H*(10) y la tasa de dosis correspondiente. Consiste en una esfera de polietileno de 25 cm de diámetro para termalizar los neutrones que son detectados por un tubo contador proporcional de Helio-3. El detector tiene una capa exterior de plomo de 10 mm para mejorar la respuesta a los neutrones de alta energía mediante la creación de neutrones secundarios con energías más bajas debido a los procesos de espalación. El instrumento fue calibrado en las instalaciones del campo de referencia de alta energía (CERF) del CERN-UE por el fabricante27. La tasa del equivalente de dosis ambiental se registra en intervalos de cinco minutos y se muestra. Estos datos son de especial interés ya que permiten evaluar la componente neutrónica del campo de radiación a altitudes de aviación y cualquier efecto inesperado ya durante el vuelo.

Se utilizaron dos detectores de semiconductores del tipo Liulin-6G LET. Se basan en un diodo PIN Hamamatsu S2744 con un área sensible de 21,2 mm × 11,2 mm y un preamplificador sensible a la carga para medir el flujo de partículas, la dosis absorbida en silicio DSi y la tasa de dosis correspondiente. Los detectores Liulin han sido ampliamente utilizados en aviación por varios grupos de investigación durante muchos años28.

Tras la decisión de recurrir a las Islas Malvinas para el intercambio de tripulación y equipo, se planificaron dos vuelos correspondientes para enero y marzo de 2021 (ex HAM 2021–01–31, regreso a MUC el 2021–02–04 y ex HAM 2021– 03–30, regreso a MUC el 2021–04–03). Sin embargo, la pandemia del SARS-CoV-2 impuso limitaciones extraordinarias a la realización de esta misión de vuelo. Todos los miembros de la tripulación involucrados, es decir, de Lufthansa, AWI y DLR, tuvieron que someterse a medidas integrales de prevención de infecciones. Para abordar el vuelo con destino a las Islas Malvinas se requirió una estricta cuarentena en un hotel controlado organizado exclusivamente para este fin desde quince días antes del vuelo, y tres pruebas PCR sensibles al SARS-CoV-2 negativas durante ese tiempo.

Los números de vuelo asignados fueron LH2574 para el vuelo de Hamburgo a Mount Pleasant (East Falkland) y LH2575 para el vuelo de regreso a Munich. Las mediciones esenciales de la exposición a la radiación en la región geográfica de la SAA se tomaron en el vuelo LH2574 ex HAM el 30-03-2021. Dado que la tripulación AWI intercambiada era bastante pequeña y no se transportaba ningún equipo con un peso digno de mención, la carga útil fue extremadamente baja en este vuelo. Por tanto, la aeronave ya podía ascender al Nivel de Vuelo (FL) de 43.000 ft., también denominado FL430, poco después de cruzar el ecuador y antes de llegar a la región de interés y permanecer en esta altitud durante el resto del vuelo. Además, la misión de vuelo Atlantic Kiss se realizó con el avión más moderno de la flota A350 de Lufthansa en ese momento (matrícula D-AIXQ). El aterrizaje del LH2574 tuvo lugar en el aeropuerto de Mount Pleasant el 31 de marzo de 2021 a las 1120 UTC después de un tiempo de vuelo de 15 h 46 min, lo que también estableció un nuevo récord en la historia de Lufthansa. A su llegada a East Falkland, las tripulaciones de Lufthansa y DLR tuvieron que someterse a una estricta cuarentena de habitación en un hotel seleccionado en Stanley durante la escala de dos días nuevamente mientras la tripulación de AWI fue trasladada al buque de investigación Polarstern que estaba anclado en Stanley Harbour.

La misión de vuelo Atlantic Kiss a través de la región geográfica de la SAA se planeó originalmente para el mínimo solar entre los ciclos 24 y 25 en 2020. Durante los mínimos solares, las exposiciones de GCR en altitudes de vuelo son máximas, lo que proporciona una medición óptima, es decir, estadísticas de conteo. dentro del ciclo solar. Además, las condiciones del clima espacial suelen ser particularmente estables en términos de perturbaciones magnetosféricas y la probabilidad de eventos de partículas solares es extremadamente pequeña durante este período de transición. La influencia de la actividad solar se puede expresar mediante el parámetro W, un parámetro modelo que utiliza el modelo GCR de Matthiä et al.29. La Figura 2 muestra la variación del parámetro W, derivada de las tasas de conteo promediadas de 30 minutos del monitor de neutrones de Oulu (NM), para ambos vuelos HAM-MPN y MPN-MUC. Las tasas de recuento de NM promediadas durante los vuelos fueron 6784 min-1 y 6753 min-1 y los parámetros del modelo derivado fueron W = 7,8 y W = 10,7 para HAM-MPN y MPN-MUC, respectivamente. La variación correspondiente de la tasa de fluencia de partículas primarias derivada durante los vuelos estuvo dentro de las fluctuaciones estadísticas esperadas para condiciones climáticas espaciales tranquilas, es decir, del orden de un pequeño porcentaje e inferior al 1% para las tasas de recuento del monitor de neutrones de Oulu, que muestran variaciones de 10-25% entre máximo y mínimo solar.

Variación del parámetro W basada en promedios de 30 minutos de las tasas de recuento del monitor de neutrones de Oulu. Las horas de salida y llegada de los vuelos se indican mediante líneas verticales discontinuas.

Durante los vuelos no se observaron eventos de partículas solares o tormentas geomagnéticas que podrían haber perturbado el campo de radiación a altitudes de aviación, así como los cinturones de radiación. El flujo de partículas estaba por debajo de 1 pfu (unidad de flujo de partículas, 1 pfu = 1 partícula por segundo por cm2 por estereorradián) según el Space Weather Highlights SWPC PRF 2379 de la NOAA del 5 de abril de 2021. Además, la adquisición de datos de referencia requiere una magnetosfera sin perturbaciones. Las perturbaciones de la magnetosfera se pueden describir mediante el índice Kp, que varía de 0 a 9. Se asumen condiciones magnetosféricas tranquilas si este índice no es superior a 31. El índice Kp durante el vuelo de HAM a MPN fue ≤ 3- y fue ≤ 1 + durante el vuelo de MPN a MUC30. Por lo tanto, las condiciones del clima espacial fueron óptimas para la adquisición de datos de referencia durante la misión de vuelo Atlantic Kiss.

Los datos de medición relevantes se adquirieron durante el vuelo LH2574 de HAM a MPN ya que la región geográfica de SAA se cruzó por completo en FL430. Sin embargo, el área central de esta región cambia de tamaño y posición según la altitud, por ejemplo, la órbita de un satélite utilizado para registrar datos de referencia. En consecuencia, la región de interés para la trayectoria de vuelo de LH2574 tuvo que definirse como el rango de latitudes entre − 10° y − 45°, es decir, 10°S y 45°S, donde la tasa de dosis medida a bordo del Eu:CROPIS satélite estaba considerablemente más alto que en cualquier otro lugar (cf. Fig. 3). La duración del vuelo en esta región fue de 5:04 h. La mayoría de los dispositivos utilizados miden tasas de dosis resueltas temporalmente. Para que los valores medidos de estas tasas de dosis sean más fáciles de comparar, en particular dentro de la región de interés, los datos correspondientes se correlacionan con los datos de vuelo con alta resolución, lo que permite trazar los datos con respecto a la latitud en lugar del tiempo. Además, se calculan las medias de 1 hora de las tasas de dosis para cada instrumento a fin de reducir las incertidumbres estadísticas. Las tasas de dosis dependientes de la latitud para la sonda de neutrones LB6411-Pb, los instrumentos Liulin-6G y los dos HAWK se muestran en las Figs. 4, 5 y 6. Además, se comparan los cálculos del modelo correspondiente con PANDOCA con las medidas. Los niveles de vuelo, así como los límites de la región de interés (líneas discontinuas), como se define arriba, también se trazan como referencia. Las incertidumbres dadas para las mediciones incluyen tanto las incertidumbres estadísticas de los valores medios como las incertidumbres sistemáticas asumidas para los instrumentos individuales. El nivel de incertidumbre generalmente aceptado cuando se comparan los cálculos del modelo con los datos de medición en el dominio de la dosimetría aeronáutica es del 30 %31.

Tasa de dosis absorbida en silicio (µGy/min) a 600 km de altitud medida con el instrumento RAMIS a bordo del satélite DLR Eu:CROPIS en marzo y abril de 2021. La línea gris representa la trayectoria de vuelo de la misión Atlantic Kiss de HAM a MPN. La sección roja de la ruta de vuelo se considera como región de interés.

Datos de HAWK 2 y HAWK 3 de la tasa de dosis equivalente ambiental en comparación con los cálculos del modelo PANDOCA (línea roja). El perfil de vuelo también se muestra (línea azul).

La tasa de dosis equivalente ambiental para neutrones dHN/dt en función de la latitud geográfica para el modelo PANDOCA y los valores de medición adquiridos con la sonda de neutrones LB6411-Pb (media de 1 h). El perfil de vuelo también se muestra (línea azul).

La tasa de dosis absorbida en silicio en función de la latitud geográfica para el modelo PANDOCA y los valores de medición adquiridos con Liulin MDU-1 y MDU-2 (media de 1 h). El perfil de vuelo también se muestra (línea azul).

Se supone que las incertidumbres sistemáticas para ambos HAWK son del orden del 5 %32. Los datos de medición de la tasa de dosis equivalente ambiental del HAWK versión 2 son ligeramente superiores a los cálculos del modelo PANDOCA para todas las latitudes y altitudes de LH2574. Este comportamiento refleja una desviación sistemática y también está en buena concordancia con los resultados de la campaña de vuelos de CONCORD (COmparisoN of COsmic Radiation Detectors28). Los datos adquiridos por HAWK versión 3 son más bajos que los cálculos del modelo en la región ecuatorial, pero muestran una buena concordancia por lo demás (Fig. 4). Ninguno de los HAWK muestra evidencia de una contribución significativa adicional al campo de radiación en altitudes de aviación de la SAA.

Los datos de la sonda de neutrones LB6411-Pb y los cálculos de PANDOCA de la tasa de dosis ambiental por neutrones dHN/dt muestran en general una buena concordancia (Fig. 5). Las incertidumbres sistemáticas del instrumento se estiman en alrededor del 10%33. De latitudes altas a latitudes bajas, la tasa de dosis calculada cambia de estar ligeramente por encima de la medición a estar ligeramente por debajo de ella. Esto parece ser un efecto combinado de la latitud, es decir, el blindaje geomagnético, así como la altitud y no es una característica especial de los datos en la región SAA. Si hubiera una contribución considerable de la SAA en la región de interés, se esperaría un aumento en las tasas de dosis por encima del fondo de GCR hacia el centro de la SAA en alrededor de -30° seguido de una disminución más al sur en contraste con la monotónicamente observada. subestimación creciente de las tasas de dosis modelo. Especialmente en el extremo sur de la región de interés no se mide tal disminución de la tasa de dosis. Por lo tanto, es muy poco probable que la desviación observada entre las tasas de dosis modeladas y medidas esté relacionada con una contribución de neutrones adicional al campo de radiación en FL430 debido a la SAA.

Los datos de medición de Liulin-6G y los cálculos del modelo PANDOCA concuerdan en general (Fig. 6). Las incertidumbres sistemáticas de las dos unidades móviles de dosimetría (MDU) Liulin-6G utilizadas se estiman en alrededor del 10 %32. Liulin MDU-1 no se encendió intencionalmente antes de cruzar el ecuador en LH2574 para tener un instrumento de repuesto completamente cargado disponible para la adquisición de datos en la región de interés. Los valores de medición coinciden con los cálculos sin un exceso perceptible en la región SAA, lo que indica que el instrumento no midió contribuciones desconocidas al campo de radiación debido a partículas cargadas.

Los valores de dosis totales para los vuelos de HAM a MPN (LH2574) y de MPN a MUC (LH2575) se enumeran en la Tabla 1 que también incluye las dosis integrales para dos dosímetros de semiconductores adicionales de tipo M-42 desarrollados en DLR34. Las mediciones de neutrones fueron respaldadas por detectores de burbujas (BD)35,36, cuyos resultados también se enumeran en la Tabla 1. En el vuelo LH2575 de MPN a MUC, solo se usaron BD con baja sensibilidad, lo que resultó en un valor de dosis con alta incertidumbre estadística. Dado que Liulin MDU-1 solo se encendió después de cruzar el ecuador, la dosis total en silicio no está disponible para este vuelo. Los valores de dosis particulares de las cantidades de dosis utilizadas son diferentes para LH2574 y LH2575 debido a los diferentes perfiles de vuelo y duración.

Los resultados de los datos de medición adquiridos durante la misión Atlantic Kiss no dan ninguna indicación de un impacto del cinturón interior de radiación de Van Allen en la exposición a la radiación en la región geográfica de la SAA a una altitud de vuelo de 43.000 pies, es decir, 13 km o menos. En realidad, este resultado no es sorprendente, ya que no se conoce ningún mecanismo suficientemente eficiente para el transporte de la radiación generada por protones con energías habituales desde el cinturón de radiación interior hasta altitudes de aviación. La trayectoria de las partículas cargadas atrapadas es un movimiento giroscópico en espiral a lo largo de las líneas del campo magnético con un tono decreciente hacia altitudes más bajas. Las partículas alcanzan un punto de espejo en la altitud más baja y rebotan hacia altitudes más altas. La altitud mínima sobre el suelo depende de varias variables, por ejemplo, la velocidad de la partícula, su ángulo de inclinación inicial y la ubicación geográfica, razón por la cual el cinturón de radiación interior de Van Allen alcanza altitudes más bajas en comparación con otras regiones geográficas debido a la inclinación y desplazamiento del eje dipolar del campo geomagnético. Dado que incluso en la región SAA, los puntos de espejo de los protones están a altitudes superiores a 100 km, las partículas no llegan a la atmósfera. Mientras que numerosos eventos durante los cuales los electrones se desviaron de su trayectoria en el cinturón de radiación exterior y se precipitaron en la atmósfera están documentados, por ejemplo, Clilverd et al.37, no está claro si ocurren eventos similares durante los cuales una gran cantidad de protones de alta energía de el cinturón de radiación interior entra en la atmósfera. Sin embargo, incluso si los protones de alta energía entraran en la atmósfera, su alcance sería bastante limitado. Un análisis de los espectros de energía de protones, observados en el SAA por el Telescopio de Partículas Energéticas (EPT) a bordo del satélite PROBA-V (Proyecto para la Autonomía a Bordo - Vegetación) de la ESA (Agencia Espacial Europea), ha mostrado una disminución en los flujos de protones por alrededor de dos órdenes de magnitud en el rango de energía entre 100 y 250 MeV en diferentes posiciones dentro del SAA a una altitud de 820 km38. Un protón incidente verticalmente requeriría una energía de unos 550 MeV para alcanzar FL430 debido al blindaje atmosférico independiente del blindaje geomagnético. Además, el modelo del cinturón de radiación AP8 no predice ningún flujo de protones con energías superiores a 500 MeV en los cinturones de radiación a una altitud de 300 km o inferior y ningún flujo de protones a energías superiores a 100 MeV a una altitud de 150 km o inferior (cf. AP8-min implementado en SPENVIS (Sistema de Información Ambiental Espacial), www.spenvis.oma.be). Además, no se espera que una fracción significativa de las partículas cargadas que quedan atrapadas en el cinturón de radiación interno ingrese a la atmósfera, especialmente en ángulos cenitales bajos. Por esta razón, los cinturones de Van Allen no se han incluido en el modelo PANDOCA como una fuente que podría afectar la exposición a la radiación de la tripulación y los pasajeros. Un mecanismo teórico de transporte de radiación podría ser concebible debido a la creación y el transporte atmosférico de un campo de neutrones secundario. Aunque esto no se puede descartar a priori, requeriría un flujo de protones primario comparativamente alto. Por lo tanto, la investigación experimental del componente de neutrones es crucial para excluir este mecanismo de transporte de radiación.

Los datos de medición de la misión Atlantic Kiss confirman muy bien los cálculos del modelo PANDOCA dentro del nivel de incertidumbre generalmente aceptado. Ya se tomaron varias mediciones de radiación a bordo de aeronaves en la región del Atlántico Sur, por ejemplo, por DLR para la verificación del modelo PANDOCA21 y por Federico et al.9 como misiones de ruta y punto fijo durante la transición anterior del ciclo solar 23–24 bajo condiciones similares. condiciones del clima espacial. Ninguna de las misiones de vuelo dio ninguna indicación de tasas de dosis aumentadas localmente en la región geográfica de la SAA. La misión Atlantic Kiss, sin embargo, ofreció la oportunidad única de cruzar toda la región de interés con un A350 a una altitud de 13 km en un solo vuelo.

Los resultados se basan en mediciones adquiridas durante condiciones climáticas espaciales tranquilas en la transición del ciclo solar 24–25 y las mediciones correspondientes deben repetirse durante momentos de fuerte actividad solar, es decir, durante un período de perturbación de la magnetosfera para una confirmación adicional.

La misión Atlantic Kiss se planeó para investigar cualquier efecto potencial del cinturón de radiación interior de Van Allen en la exposición a la radiación en las altitudes de la aviación civil en la región geográfica de la SAA y finalmente podría realizarse en un vuelo único de HAM a MPN en 2021 durante la transición entre el ciclo solar 24 y 25 a pesar de la crisis mundial por la pandemia del SARS-CoV-2. Las condiciones operativas para esta misión fueron óptimas ya que se pudo cruzar toda la región geográfica de interés a una altitud de 13 km durante un clima espacial tranquilo. Además, los cálculos que utilizan el modelo de radiación PANDOCA también se han confirmado con los datos de medición de las cantidades de dosis investigadas para esta altitud, es decir, el SAA no causa una contribución medible adicional a la exposición a la radiación esperada debido al componente GCR en el vuelo. altitudes de la aviación civil en condiciones climáticas espaciales estables. La leyenda urbana del aumento de la exposición a la radiación a altitudes de vuelo en la región geográfica de la SAA parece basarse en la suposición de una relación lineal o similar entre el aumento de la exposición a la radiación en los LEO dentro y fuera de la SAA y el efecto correspondiente en la atmósfera bajo el cinturón interior de radiación de Van Allen. Además, este concepto erróneo ampliamente difundido aparentemente está respaldado por mayores niveles de radiación ionizante incluso a nivel del suelo. Sin embargo, en este concepto se ignora la fuerte absorción de partículas del cinturón de radiación debido al blindaje atmosférico y se ha demostrado que el aumento medido en la radiación en el suelo es causado por la radiactividad terrestre, por ejemplo, 232Th13,14. Además, los datos de medición tomados en el vuelo LH2574 a una altitud de 13 km son consistentes con el transporte de radiación atmosférica de protones observado en el SAA a bordo del satélite PROBA-V utilizando el modelo de transporte de radiación PANDOCA y confirman las mediciones de radiación anteriores a bordo de aeronaves en el Región del Atlántico Sur por Federico et al. y su comparación con diferentes modelos de transporte de radiación9.

En resumen, los resultados de la misión Atlantic Kiss contribuyen a desmentir la leyenda urbana de niveles generalmente elevados de radiación ionizante a altitudes de vuelo en la región geográfica de la SAA que causó una preocupación innecesaria entre los miembros de la tripulación y los pasajeros.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Agradecemos el apoyo de nuestra misión Atlantic Kiss por parte del Dr. Eberhard Kohlberg (AWI) y la maravillosa tripulación de LH2574/LH2575. Además, nos gustaría agradecer al Observatorio Geofísico de Sodankyla y al equipo del sitio web (http://cosmicrays.oulu.fi) por proporcionar los datos del monitor de neutrones de Oulu.

Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Centro Aeroespacial Alemán, Instituto de Medicina Aeroespacial, Radiobiología, Colonia, Alemania

Matthias M. Meier, Thomas Berger, Daniel Matthiä, Mona C. Plettenberg, Kai Schennetten y Michael Wirtz

Lufthansa German Airlines, Lufthansa Basis, Fráncfort del Meno, Alemania

Thomas Jahn y Markus Scheibinger

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

MM, KS, DM y MP planificaron y realizaron la misión Atlantic Kiss, adquirieron y analizaron los datos y escribieron la parte principal del artículo. TB proporcionó información sobre el entorno de radiación del SAA medido con el instrumento RAMIS a bordo del satélite Eu:CROPIS y contribuyó al capítulo introductorio. TJ y MS planificaron el vuelo de HAM a MPN a través de la región geográfica de la SAA, apoyaron la misión en estrecho contacto con los científicos y contribuyeron en la parte correspondiente sobre el vuelo LH2574 al artículo. MW apoyó la misión con los servicios de EDP y contribuyó al capítulo introductorio.

Correspondencia a Matthias M. Meier.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Meier, MM, Berger, T., Jahn, T. et al. Impacto de la Anomalía del Atlántico Sur en la exposición a la radiación en altitudes de vuelo durante el mínimo solar. Informe científico 13, 9348 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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Recibido: 14 de marzo de 2023

Aceptado: 24 de mayo de 2023

Publicado: 08 junio 2023

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

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