Ιονισμός της ατμόσφαιρας της Γης από τις κοσμικές ακτίνες: εφαρμογές στο περιβάλλον και την αεροπλοΐα

Abstract

Cosmic rays consist a major factor of ionization of the Earth's atmosphere, significantly changing its physical-chemical properties. Ions are involved in many atmospheric processes, thus Cosmic Ray Induced Ionization (CRII) affects different climate parameters, such as cloud cover, precipitation, cyclogenesis in mid- to high-latitude regions, atmospheric transparency and aerosol formation. The Cosmic Ray Induced Ionization depends on two main causes: the solar activity, which modulates the intensity of the cosmic ray flux, and the geomagnetic field, which acts as a charged particle discriminator and determines which particles arrive at the Earth at different latitudes. Cosmic rays also contribute significantly to the radiation exposure inside the atmosphere. Several models have been created for the estimation of the ionization and radiation dosimetry. In this work, as regards the CRII rate computations the CRAC:CRII model of Oulu University was used, while for the estimation of the ambient dose equivalent rate the validated software DYASTIMA / DYASTIMA-R by the University of Athens was used. Both tools are of great importance as they allow us to calculate the respective quantities all over the globe, at the entire atmosphere and for different time periods and solar cycle phases. Cosmic Ray Induced Ionization (CRII) may also affect the avionics, the electronic systems used on aircraft, and the radiation doses the health of aircrew members and frequent flyers, which makes the combined study of these two physical quantities very important for the aviation industry.

Η κοσμική ακτινοβολία αποτελεί βασικό παράγοντα του ιονισμού της ατμόσφαιρας της Γης. Τόσο οι ηλιακές όσο και οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, οι οποίες εξαρτώνται από την ηλιακή δραστηριότητα και το γεωμαγνητικό πεδίο, επηρεάζουν την έκθεση στην ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα. Έχουν δημιουργηθεί αρκετά μοντέλα για τον υπολογισμό του ιονισμού και των δόσεων ακτινοβολίας. Στην παρούσα διατριβή, όσον αφορά τους υπολογισμούς του ρυθμού ιονισμού (CRII) χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο CRAC:CRII του Πανεπιστημίου της Oulu της Φιλανδίας, ενώ για τον υπολογισμό του ρυθμού ισοδύναμης δόσης περιβάλλοντος (dH*(10)/dt) χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό DYASTIMA/DYASTIMA-R του Πανεπιστημίου Αθηνών. Και τα δύο εργαλεία είναι πολύ σημαντικά καθώς μας επιτρέπουν να υπολογίζουμε τα αντίστοιχα φυσικά μεγέθη σε όλη τη Γη, σε ολόκληρη την ατμόσφαιρα και για διάφορες χρονικές περιόδους και φάσεις του ηλιακού κύκλου. Η συνδυαστική μελέτη αφορά τους δύο τελευταίους ηλιακούς κύκλους 23 και 24 (1996–2019) και συγκεκριμένα επίπεδα πτήσης της εμπορικής αεροπλοΐας (FL310, FL350 και FL390). Η εξάρτηση των CRII και dH*(10)/dt από τη γεωμαγνητική δυσκαμψία, την ηλιακή δραστηριότητα, την ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας, καθώς και το υψόμετρο εντός της ατμόσφαιρας, επηρεάζουν την έκθεση στην ακτινοβολία των μελών του πληρώματος των αεροπλάνων και των συχνών επιβατών, καθώς και τα ηλεκτρονικά συστήματα των αεροσκαφών, γεγονός που κάνει τα αποτελέσματα πολύ ενδιαφέροντα για την αεροπορική βιομηχανία.