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Cursos de verano de la Universidad de Cantabria
X Cursos de Medio Ambiente de Suances
IV Workshop “Radiación natural y Medio Ambiente”
Suances, 4-8 de Julio de 2005
Radiación natural: radiación cósmica
José Carlos Sáez Vergara
CIEMAT, Servicio de Protección Radiológica
Avda. Complutense 22, Edif. 50, 28040 Madrid
[email protected]
Tel 91 346 6253
FAX 91 346 6718
Componentes de la radiación cósmica primaria
• La Radiación Cósmica Galáctica (GCR) se origina fuera del
Sistema Solar como consecuencia de la explosión de
supernovas. Se compone de protones (87%), partículas alfa
(10%), electrones (2%) y
nucleos pesados (<1%) con
energías que varían entre los 1 y 1014 MeV. Son isotrópicos
en dirección y su flujo es casi constante en el tiempo.
• El Viento Solar (SW) está compuesto principalmente por
protones con energías por debajo de los 100 MeV,
presentando una dirección dominante y variaciones
periódicas de intensidad en ciclos de 11 años.
• Las Llamaradas Solares (Solar flare ó Solar Particle Event
SPE) son impredecibles y variables en su intensidad,
composición, energía (hasta 1 GeV) y duración. Sus efectos
pueden apreciarse en toda la atmósfera, incluso a nivel de la
superficie terrestre (Ground Level Event, GLE).
Radiación cósmica galáctica (GCR)
• Tras originarse en la explosión de supernovas, las
partículas de la GCR deben atravesar la materia
interestelar e interplanetaria e interaccionan con los
campos magnéticos interestelares y solar.
Viento Solar (SW)
• Plasma de partículas cargadas con energías entre 10 y 100
MeV emitidas regularmente desde la Corona solar que tardan
varios días en alcanzar la Tierra.
• El viento solar lleva consigo un campo magnético anclado en el
Sol que interacciona con otros campos magnéticos estelares y
planetarios.
• La intensidad del viento solar depende de la actividad solar.
Ciclo periódico de actividad solar
• Las manchas solares son intensos campos magnéticos que
aparecen en la superficie solar, bloqueando la salida de
energía radiante.
• El número de manchas solares indica la actividad solar y es
aproximadamente proporcional a la intensidad del viento solar.
• La interacción de los CM del viento solar y de la GCR son la
causa de que la actividad solar y la intensidad de la radiación
cósmica en la Tierra estén en anticoincidencia.
Llamaradas solares (Solar flare, SPE ó GLE)
• La acumulación de cantidades enormes de energía magnética
en las proximidades de las manchas solares puede suponer la
liberación de energía radiante y partículas (protones) de hasta
10 GeV que pueden alcanzar la Tierra en cuestión de minutos
(ondas de choque), afectando al campo geomagnético.
• Se producen docenas de llamaradas solares cada día pero
sólo 1 ó 2 al año suponen un incremento de la radiación
cósmica ionizante en la Tierra.
• La probabilidad de ocurrencia de llamaradas solares aumenta
con la actividad solar .
Efecto Forbush
Influencia de la Magnetosfera y de la Atmósfera
• En función de la latitud el campo magnético de la Tierra
(Magnetosfera) reduce parcialmente la intensidad de la radiación
cósmica primaria que alcanza la atmósfera.
• Las partículas de alta energía incidentes sobre la atmósfera,
interaccionan con átomos y moléculas en el aire, generando una
compleja familia de partículas secundarias con y sin carga que
son absorbidas selectivamente al penetrar en la atmósfera.
Neutrons
Non Neutrons
Interacción con el campo magnético terrestre
Rigidez magnética R = pc / Ze
En función de la energía y dirección de la partícula existe un valor
crítico de la rigidez, denominado umbral de rigidez Rc, por debajo del
cual las partículas incidentes no pueden penetrar en la magnetosfera.
Umbral de rigidez y latitud geográfica
Latitud geomagnética, Bm = arcsen [senl senlp + cosl coslp cos(f – fp)]
lp = 79.3ºN, fp =289.89ºE son las coordenadas del polo norte geomagnético
Umbral de rigidez Rc(GV) = 14.9 cos4Bm
Rc = 0 GV en los polos  Máxima radiación cósmica primaria incidente
Rc  15 GV en los polos  Mínima radiación cósmica primaria incidente
Interacción con la atmósfera terrestre
Máximo de
Pfotzer
Radiación cósmica secundaria (SCR)
Radiación Cósmica Galáctica
Flujo isótropo
104-1010 GeV
Viento solar
Flujo anisótropo
E<104 GeV
Atmósfera terrestre a 25 km de altitud (N2, O2, Ar...)
Neutrinos
n
n
1011 m-2·s-1
Creación de Piones
p+
pp0
m+
m-
g
m
g
DURA: BLANDA:
(50-80%)
(10%)
2-3 pares ·cm-3·s-1
Ionización directa
e-
Cinturones Van Allen
e+ e-
g
Reacciones de espalación
n
p+
AX
Z
AX
Z
Reacciones nucleares:
 3H, 2500 m-2· s-1
 10Be, 360 m-2· s-1
-2· s-1
 14C, 22000 m
-3
4-8 pares ·cm ·s-1
Superficie terrestre
Absorción pequeña
Absorción rápida
Nucleidos minerales:
40K, 232Th, 238U, etc.
Sumario de influencias en la dosis debida
a la radiación cósmica
• Altitud
• Latitud
• Actividad solar
Espectros de la radiación cósmica secundaria
Magnitudes dosimétricas
Dosis Efectiva, E
E   wT H T , R   wT  wR DT , R
T ,R
T
R
Órgano
wT
Gónadas
0.20
Médula ósea,
Colon, Pulmón,
Estómago
0.12
Vejiga, Mama,
Hígado, Esófago,
Tiroides
0.05
Piel, Superficie
ósea
0.01
Resto
0.05
Radiación
wR
Energía Neutrón
wR
Fotones, Muones,
Electrones
1
< 0.01 MeV
5
0.01-0.1 MeV
10
Protones > 2 MeV,
excepto los de
retroceso
5
0.1-2 MeV
20
2-20 MeV
10
Alfa, Fisión, Iones
20
> 20 MeV
5
Medidas experimentales y Calibración
Instalación CERF (CERN)
Dosis equivalente ambiental, H*(10)
Instrumentos de medida
- Cámara de ionización
- Contadores G-M
- TEPC
- Espectrómetros Si
- Detectores Pasivos & DELD
Paradoja en radiación cósmica: H*(10) < E
Radiación cósmica en la superficie terrestre
Radiación Cósmica vs Altitud & Latitud (CARI-6)
Tasa dosis efectiva,
nSv·h-1
0.40
Lat. 0 N
0.35
Lat. 40 N
Lat. 90 N
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Altitud sobre el nivel del mar, m
• Se debe a muones, fotones y neutrones muy energéticos.
• Aumenta exponencialmente con la altitud y varía algo con la latitud.
• Afecta a toda la población mundial (6.500 millones de personas).
• Valores sopesados considerando la distribución de la población en
latitudes y altitudes:
Muones y Fotones: 31 nSv/h  340 µSv/año
Neutrones: 13 nSv/h  120 µSv/año
• Inevitable e incontrolable : No se aplica el sistema de protección
radiológica.
Counting rate, counts per second
Radiación cósmica en Sierra Nevada
1E+02
Alt. 0 m
Alt. 1500 m
Alt. 3365 m
1E+01
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03
1E-04
0
500
1000
1500
2000
2500
Photon energy, keV
Serie U-238
Serie Th-232
K-40
Cs-137
Cósmica
Tasa D en aire, nGy·h
-1
250
200
150
100
50
0
0
325
728 1055 1259 1522 1750 2055 2211 2511 2750 3000 3255 3365
Altitud, m
3000
3500
4000
Dosis anuales debidas a fuentes naturales
(UNSCEAR 2001)
Fuente
Promedio Rango
mSv/año mSv/año
Radiación cósmica
- Ionizante y fotones
- Neutrones
- Nucleidos
Cosmogénicos
0.39
0.28
0.10
0.01
Terrestre externa
- Exteriores
- Interiores
0.48
0.07
0.41
0.3-0.6
Inhalación
- Series U y Th
- 222Rn
- 220Rn
1.26
0.006
1.15
0.10
0.2-10
Inhalación
- Series U y Th
- 40K
0.29
0.12
0.16
0.2-0.8
Total
2.4
1-10
Fuentes naturales (UNSCEAR, 2001)
Dosis Efectiva anual: 2.2 mSV
0.3-1.0
Externa
22%
Cósmica
18%
Inhalación
45%
Ingestión
15%
Exclusiones del sistema regulador
(Art. 2.4, RPSCRI, RD 783/2001)
- Niveles naturales de radiación:
* Radionucleidos en el cuerpo
* Rayos cósmicos a nivel de suelo
* Nucleidos en corteza no alterada
- Radón en viviendas
Dosis recibidas en vuelos comerciales
Departure date: 08/05/2002
Aircraft model:
A340
Flight duration (h):
9.10
hours
Mean altitude (km):
9.9
km
Departure date: 13/03/2001
Aircraft model:
A340
Flight duration (h):
13.12
hours
Mean altitude (km):
11.0
km
Madrid-Santiago Chile
7.0
14
6.0
12
Total dose
High LET
14
Low LET
Altitude
12
5.0
10
4.0
8
3.0
6
2.0
4
2
1.0
2
4
2.0
0
08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 20:242 21:36
0.0
5.0
7.0
6.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Madrid-Chicago
Low LET
Altitude
12
5.0
10
4.0
8
3.0
6
1.0
0.0
8
14
Total dose
High LET
0
08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 20:24 21:36
6
Altitude, km
4.0
4
Altitude, km
10
H*(10) rate, µSv/h
H*(10) rate, µSv/h
6.0
mSv
2.88
3.48
2.95
3.19
3.07
H*(10) rate, µSv/h
7.0
µSv
µSv/h
CARI-6, E
32.8
3.60
EPCARD 3.2, E
39.6
Madrid-Chicago 4.35
EPCARD 3.2, H*(10)
33.5
3.68
TEPC, H*(10)
36.3
3.99
Total dose
Low LET
RS131+SWENDI2, H*(10)
35.0
3.84
High LET
Altitude
* Computed for 800 flying hours (from take-off to landing)
Route dose Mean dose rate Annual dose*
µSv
µSv/h
mSv
CARI-6, E
34.4
2.62
2.10
EPCARD 3.2, E
27.5
2.10
1.68
EPCARD 3.2, H*(10)
24.9
1.90
1.52
TEPC, H*(10)
28.3
2.16
1.73
RS131+SWENDI2, H*(10)
34.9
2.66
2.13
* Computed for 800 flying hours (from take-off to landing)
21:36
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
0
14:24
Altitude, km
Route dose Mean dose rate Annual dose*
µSv
µSv/h
mSv
CARI-6, E
32.8
3.60
2.88
EPCARD 3.2,Departure
E
39.6
4.35
3.48
date: 08/05/2002
Aircraft model: 33.5
A340
EPCARD 3.2, H*(10)
3.68
2.95
Flight
duration
(h):
9.10
hours
TEPC, H*(10)
36.3
3.99
3.19
Mean altitude (km):
9.9
km
RS131+SWENDI2, H*(10)
35.0
3.84
3.07
* Computed for 800 flying hours (from
take-off
to landing)
Route
dose Mean
dose rate Annual dose*
Dosis recibidas en vuelos comerciales
90
60
30
0
-30
Chile Air Force
-60
-90
-180
-150
-120
-90
-60
-30
0
Miami Hub
30
60
90
Altitud: 9.5 km (31000 ft)
6.0
JNB-MAD (08/01)
5.0
SPC-MAD (09/01)
Tasa H*(10), µSv/h
Tasa H*(10), µSv/h
4.0
MAD-BUE (09/01)
SJO-MIA (06/01)
3.0
BCN-HAM (01/02)
MAD-ORD (03/02)
2.0
1.0
0.0
-90
120
150
180
Altitud: 11.9 km (39000 ft)
6.0
5.0
Canary Is.
MAD-MEX (04/02)
SCL-MAD (09/02)
BCN-AMS (11/01)
MAD-UIO (09/01)
MAD-BUE (09/01)
4.0
MAD-MXP (08/01)
MIA-MAD (06/01)
3.0
2.0
MGA-MIA (06/01)
MAD-BOG (02/02)
MAD-LIM (08/02)
1.0
MAD-SCL (09/02)
ORD-MAD (11/02)
-60
-30
0
30
Latitud Geom agnética
60
90
0.0
-90
-60
-30
0
30
Latitud Geom agnética
60
90
Dosis recibidas en vuelos comerciales
Dosis Efectiva Anual (800 h vuelo)
90
6.0
60
Latitud, DEG
5.0
30
ORD, JFK
MIA, MEX
LIM, UIO
BUE, SCL
4.0
0
3.0
-30
2.0
-60
1.0
-90
0.0
-180 -150 -120 -90 -60 -30
0
30
60
90
120 150 180
30000
32000
34000
36000
Altura media de crucero, ft
Longitud, DEG
Dosis Efectiva Anual, mSv
TEPC
EPCARD
10
8
6
4
2
0
América
Norte
38000
Europa
España
América Canarias
Central
Africa
América
Sur
40000
Dosis recibidas en vuelos supersónicos
(Concorde)
1-100 µSv/h
100-500 µSv/h
>500 µSv/h
• Vuelos de unas 3 horas de duración entre Europa y EEUU.
• 80% del vuelo en altitudes superiores a 12 km.
• Unica aeronave comercial a la que se exigía monitor de radiación
con detectores de neutrones y componente ionizante con indicación
instantánea de tasa de dosis.
• Tasa de dosis en vuelo, Media: 11 µSv/h, Máxima: 76 µSv/h.
• Horas de vuelo, Media: 300 horas/año, Máxima 550 horas/año.
• Dosis anual, Media: 2-3 mSv/año, Máxima: 7 mSv/año.
Dosis debidas a las tormentas solares (GLE)
• Impredecibles e inevitables: Monitores fijos en aviones y empleo de
modelos que permiten calcular las dosis retroactivamente a partir de
las obervaciones en la superficie terrestre.
• 23/02/1956, GLE-5 (Intensidad 4556%) : la más intensa registrada,
con tasas de dosis de hasta 10-60 mSv/h durante casi 1 hora
• 27/09/1989, GLE-42 (Intensidad 252%)
• 15/04/2001, GLE-60 (Intensidad 30%)
• Las dosis recibidas pueden ser varias veces las dosis en
condiciones normales del vuelo, pero suponen una fracción pequeña
en la dosis anual.
Dosis recibidas en vuelos comerciales
Trabajadores expuestos
100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
Dosis Colectiva, mSv·personal
Nivel de Registro, NR: 0.10 mSv/mes
80702
Fracción Trabajadores expuestos D>NR
Dosis media para trabajadores con D>NR
30300
14065
10000
Tripulaciones
aéreas
7302 7334
Centrales
nucleares
120%
1306 316
Instalaciones Combustible &
radiactivas
D/D
100%
2.5
97%
2.0
80%
1.94
60%
52%
1.69
Fracción Trabajadores expuestos
Fracción Dosis Colectiva nacional
1.45
40%
100%
40%
81%
80%
0.85
58%
60%
40%
20%
27%
10%
7%
14%
1% 1%
0%
Tripulaciones
aéreas
Centrales
nucleares
Instalaciones
radiactivas
1.5
1.0
25%
20%
0.5
0%
0.0
Tripulaciones
aéreas
Centrales
nucleares
Instalaciones Combustible &
radiactivas
D/D
Combustible &
D/D
La exposición de las tripulaciones aéreas está regulada (RPSCRI, Título VII
Fuentes naturales de radiación, Art. 62 y 64): Programa de protección radiológica
- Evaluación de las dosis: Códigos de cálculo y validación experimental.
- Organización de planes de trabajo cuando la Dosis Anual > 6 mSv.
- Información a los trabajadores.
- Protección personal femenino.
- Autoridad: D.G. Aviación Civil asesorada por el Consejo de Seguridad Nuclear.
Dosis recibidas en vuelos orbitales y
estaciones espaciales (MIR, ISS)
• Las dosis se deben a los protones y electrones atrapados en los
cinturones de Van Allen.
• La tasa de dosis se incrementa notablemente en la Anomalía
Sudatlántica del campo geomagnético (aproximadamente sobre el SE
de Brasil).
• También influye la inclinación de la nave respecto a la Tierra.
• La tasa de dosis varía entre 5 y 40 µSv/h, y las dosis por misión
oscila entre 3 y 11 mSv.
Estimación de la dosis recibida
en la misión a Marte
280 d, 0.88 Sv
439 d, 0.41 Sv
256 d, 0.17 Sv
TOTAL: 975 d, 2.26 Sv
256 d, 0.80 Sv
• No se esperan efectos agudos de irradiación.
• Riesgo de cancer fatal: de 2.4% para hombres de 55-64 años hasta
16.7% para mujeres de 25-34 años.
• Riesgo de herencia de defectos genéticos: 0.7-1.1%.
• Riesgo elevado de aparición de cataratas.
• Disminución temporal de la fertilidad.
• Existen otros factores con efectos más graves sobre la salud.
Resumen:
Exposición del hombre a la radiación cósmica
Altitud
km
Causa
Tasa dosis
µSv/h
Tiempo
Exposición
h/año
Dosis Anual
mSv
Superficie
terrestre
0-4
µ, n
0.03-0.3
8760
0.3-1.0
(excluida)
Vuelos
subsónicos
8-12
n, p, f,
e, µ
0.5-10
800
0.4-8
(regulada)
Vuelos
supersónicos
10-18
n, p, f,
e, µ
2-20
400
1-8
(regulada)
Misiones
orbitales
250-500
p, n, f
8-38
300
2-11
(en estudio)
Misión a Marte
(en estudio)
2x108
p
150
2.7 años
(misión)
2.26 Sv
(misión)
REFERENCIAS
GG. Reitz, K. Schnuer and K. B. Shaw, Eds. “Radiation Exposure of Civil Aircrew, Proc.
Workshop, Luxembourg, 1991”. Radiat. Prot. Dosim., Vol. 48, 1993.
McAulay, I.R., Bartlett, D.T., Dietze, G., Menzel, H.G., Schnuer , K. and Schrewe, U.J.
Radiation Protection 85. Exposure of air crew to cosmic radiations. EURADOS Report
1996/01. Published by the Office for Official Publications of the European Communities,
Luxembourg, 1996.
M. Kelly, H-G. Menzel, T. Ryan T. and K. Schnuer, Eds. “Cosmic Radiation and Aircrew
Exposure, Proc. Workshop, Dublin, Ireland, 1998”. Radiat. Prot. Dosim., Vol. 86, 1999.
Zoetelief, J., Schuhmacher , H., Bos, A.J.J., Bartlett, D.T., Rannou, A., Broer se, J.J.,
McDonald, J.C., Schultz, F.W., Eds. Advances in Nuclear Particle Dosimetry for
Radiation Protection and Medicine: Ninth Symposium on Neutron Dosimetry.
Proceedings. Radiat. Prot. Dosim. Vol. 110, 1-4, 2004.
Lindborg, L., McAulay, I., Bartlett, T.D., Beck, P., Schraube, H., Schnuer , K., Spurný, F.
(Eds.), Cosmic Radiation Exposure of Air craft Crew: Compilation of Measured and
Calculated data. DG TREN Edit. (Luxemburg ). EC Report KO-63-04-690-EN-C (ISBN 92894-8448-9), 2004.
European Commission. “Recommendations for the implementation of Title VII of the
European Basic Safety Standards Directive (BSS) concerning significant increase in
exposure due to natural radiation sources”. European Commission Report Radiation
Protection 88, European Commission, Luxembourg, 1997.
Ministerio de la Presidencia. “Reglamento sobre protección sanitaria contra
radiaciones ionizantes”. Real Decreto 783/2001, B.O.E. 14555, Madrid, 2001. Es la
legislación española que recoge ICRP-60 (1991) y la Directiva 96/29/EURATOM (1996).