Homme d'ans l'espace : RAYONNEMENT COSMIQUE ET CEINTURES DE VAN ALLEN

RAYONNEMENT COSMIQUE ET CEINTURES DE VAN ALLEN, PROBLÈMES ET SOLUTIONS.

(Petit rappel) Qu'est ce qu'un rayonnement ?


LE RAYONNEMENT COSMIQUE.

En 1908, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvre l'existence de radiations dont l'intensité augmente avec l'altitude (constatation lors de vols en ballon). Il en conclut à l'origine cosmique de ce rayonnement.
Le rayonnement cosmique a deux composants: le rayonnement cosmique solaire et le rayonnement cosmique galactique.



Le rayonnement cosmique solaire.

C'est un flux continu d'énergie radiante comprenant différentes sortes de rayonnements électromagnétiques et corpusculaires.

Les rayonnements électromagnétiques solaires :
Il comprend outre la bande optique, un rayonnement dans la bande radio avec des longueurs d'onde allant de 100 m à quelques mm, un rayonnement X et un rayonnement gamma.

Le rayonnement corpusculaire solaire :

Il consiste en particules diverses se déplaçant à grande vitesse, parfois proche de celle de la lumière. Il a deux sources, soit la couronne solaire (il constitue alors le vent solaire, celui ci composé de proton [95%], d'électrons et de particules alpha en petite quantité) ou bien la région des taches (rayonnement accompagnant les éruptions solaires).

Le vent solaire : C’est un plasma (flux de gaz et de particules ionisées) dont la composition, semblable à celle de la couronne solaire (73 % d'hydrogène et 25 % d'hélium), est constituée essentiellement d'ions et d'électrons, de noyaux d’hélium avec des traces infimes d’ions d’éléments plus lourds, tels que l’oxygène ou le carbone. Il s’échappe continuellement dans toutes les directions de la surface du Soleil, baigne l’ensemble du système solaire et se déplace à une vitesse comprise entre 350 km/s et 800 km/s. Néanmoins, ce flux varie en vitesse et en température au cours du temps en fonction de l'activité solaire.

Les éruptions solaires : Ce sont des phénomènes de libération soudaine d'énergie par la surface du Soleil pouvant durer de quelques minutes à quelques heures. Cette énergie est libérée sous forme d’ondes radioélectriques sur un large spectre et de particules relativistes : 90 % de protons et 10 % de particules alpha.

La variation du nombre de ces éruptions permet de définir un cycle solaire


Les CME (Coronal Mass Ejection ou éjection de masse coronale) : Ce sont des perturbations du vent solaire (probablement dues à des phénomènes de magnétisme) souvent associées aux éruptions solaires. Elles modifient les caractéristiques du vent solaire, se déplacent à très grande vitesse et peuvent parcourir la distance Terre-Soleil en quelques jours (en général trois jours). Il est toutefois possible d’anticiper l’arrivée de ce mauvais temps solaire, mais aussi grâce à un signal radio qui peut détecter depuis la Terre. En effet, les CME s’accompagnent d’une émission radio particulière, ce signal est produit par l’accélération des électrons du vent solaire. Ce signal électromgnétique dans les fréquences radio voyageant plus vite que les particules, les astronautes ou les opérateurs de satellites ont alors entre quelques dizaines de minutes et quelques heures pour se préparer après la détection de ce signal.


Le rayonnement galactique

Ces rayonnements, provenant de l'extérieur du système solaire, ne sont pas des ondes électromagnétiques mais des flots de particules arrivant de l’espace lointain et se déplaçant parfois à des vitesses relativistes, constitué surtout de noyau atomiques dépouillés de leur électrons. Il se compose à 87 % de protons (noyaux d'hydrogène), 12 % de particules alpha (noyaux d'hélium), 1 % de particules lourdes (noyaux de carbone, d'oxygène, azote, bore, lithium, phosphore fer, nickel et béryllium). D’après des données obtenues via les sondes soviétiques au début des années 1960, leur densité varie de 2 à 4,5 particules/cm²/s. L’équipage est certes exposé à de très petites doses, mais de manière continue pendant toute la durée du vol. Dans l'espace interplanétaire l'équivalent d'intensité de dose du rayonnement cosmique galactique est comprise entre 0,2 et 0,5 mSv/jour (0,02 et 0,05 rem/jour).

La dose reçue dépend aussi de l’activité de notre étoile. Comme nous l’avons vu plus haut, l’atmosphère du Soleil laisse échapper en permanence un flux de particules qui remplit tout le milieu interplanétaire, que l’on appelle le vent solaire. Ses caractéristiques, notamment magnétiques, varient avec l’activité de notre étoile et induisent un champ qui écarte le rayonnement cosmique du système solaire. Par exemple, le rayonnement cosmique galactique atteignant la Terre est plus faible lorsque l’activité solaire est forte. La variation de la quantité de rayons cosmiques reçue par notre planète est approximativement de 20 % entre les maximum et minimum de l’activité solaire qui suit un cycle d’environ onze ans. Il est donc possible de prévoir sur plusieurs années l’exposition au rayonnement cosmique galactique.

En atteignant l'atmosphère terrestre, les particules du rayonnement cosmique (primaire), entrent en collision les atomes des gaz atmosphérique, les détruisent et donnent naissance à des rayons cosmiques "dit" secondaires. Il comprend des protons et des neutrons secondaires, des mésons, des électrons et des photons.

L'intensité de ce rayonnement décroît à mesure que l'on se rapproche du niveau de la mer.

A savoir: Les rayons cosmiques participent à la formation des ceintures de Van Allen.


LES CEINTURES DE VAN ALLEN

Les ceintures de Van Allen ne sont pas de ceintures de radiations proprement dites, mais des ceintures magnétiques et électriquement chargées qui piègent les particules à haute énergie issues du Soleil. Elles "piègent" donc les radiations et protègent ainsi la Terre : la radioactivité y est donc très élevée. Au nombre de deux pour les principales, elles furent découvertes en 1958 par le satellite américain Explorer 1. Une troisième intermittente a été récemment mise en évidence par les Van Allen Probes de la NASA. Ces deux ceintures (interne et externe) ont des origines différentes.

La ceinture intérieure se compose de protons à haute énergie à des débits de fluence (mesure de l’intensité du déplacement des particules) compris entre 2x104 à 105 particules/cm²/s pour les protons et de 109 particules/cm²/s pour les électrons d’une énergie supérieure à 40 (KeV : Kiloelectron Volt). Sa limite inférieure passe entre 500 et 600 km d'altitude dans l'hémisphère tourné vers le soleil et aux environs de 1600 km de l'autre côté. En raison des particularités du champ magnétique terrestre, il existe une discontinuité importante de ce champ dans l'hémisphère Sud, connue sous le nom d'anomalie de l'Atlantique Sud. Dans cette région, qui s'étend à peu prés de 0 à 60° de longitude Ouest, et de 20 à 50° de latitude Sud, l'intensité des protons piégés ayant des énergie supérieures à 30 MeV est, entre 160 et 320 km d'altitude, équivalente à l'intensité rencontrée ailleurs à 1300 km d'altitude.

La limite extérieure de la ceinture intérieure se trouve entre 7000 et 10 000 km de la Terre. L'intensité maximum du rayonnement se situe entre 7000 et 8000 km et atteint jusqu'à 0,05 Gy/h (5 rad/h).

La ceinture extérieure est principalement composée d'électrons dont l’énergie varie de 20 keV à quelques meV (millielectron Volt), à des débits de fluence de plusieurs particules au cm² et par seconde. Elle est située entre 10 000 et 75 000 km d'altitude. L'intensité maximum du flux d'électrons se situe dans le plan équatorial, à une distance de 15 000 à 20 000 km. La dose est d'environ 0,1 Gy/h (10 rad/h).

Le passage des véhicules spatiaux habités dans les ceintures de van Allen est heureusement court grâce à leur vitesse.

Pour comprendre la signification de ces chiffres, il suffit de savoir qu’un astronaute se trouvant dans les parties les plus intenses des ceintures, sans aucune protection ni trajectoire adéquate, recevrait une dose létale en très peu de temps. Prenons l’exemple des équipages d’Apollo, seuls êtres humains à s’être rendu en orbite lunaire (et accessoirement à sa surface pour certains d’entre eux). Des missions qui exigeaient de passer par les ceintures de Van Allen...

Comment ont-ils survécu ?

Ces ceintures s’étendent sur environ 40 degrés de latitude terrestre, 20 degrés au-dessus et en-dessous de l’équateur magnétique. Toute l’astuce consiste dans le fait que les trajectoires translunaires d’Apollo se déroulent dans un environnement forcément tridimensionnel. Une réalité occultée par les communiqués de presse de l’époque qui, par souci de simplification, ne montrent qu’une version en deux dimensions («plate») du plan de vol. Chaque mission vole ainsi selon une trajectoire légèrement différente afin de lui permettre d’atteindre son site d’atterrissage, mais l’inclinaison orbitale du trajet amenant vers la Lune est toujours dans les environs des 30 degrés.

Dit autrement, le plan géométrique contenant la trajectoire translunaire est incliné d’environ 30 degrés par rapport à l’équateur terrestre. Un vaisseau suivant cette trajectoire évite alors pratiquement toutes les ceintures de Van Allen, à part ses bords ! Pour traverser la ceinture intérieure, le vaisseau Apollo met environ un quart d’heure (la vitesse de libération étant de 11,2 km/s soit 40.320 km/h). D’après des calculs théoriques et les informations de l’époque, un blindage en alliage d’aluminium de 1 gr/cm² suffit à absorber complètement les électrons (???). Bien que le temps nécessaire pour traverser la seconde ceinture est évalué à environ 2 heures, la dose globale reçue par l’équipage ne s’en trouva que très peu augmentée. 


Bon a savoir:

l'électronvolt (symbole : eV) est une unité de mesure d'énergie. Sa valeur est définie comme étant l'énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt.

Le rad (symbole : rd) est une ancienne unité d'énergie massique ou de dose de radiation absorbée.
1 rad = 10-2 Gy.

Le gray (symbole : Gy) est l'unité dérivée d'énergie massique ou de dose de radiation absorbée du Système international (SI). Un Gray est la dose d'énergie absorbée par un milieu homogène d'une masse de 1 kg lorsqu'il est exposé à un rayonnement ionisant apportant une énergie de 1 joule, 1 Gy = 1 J/kg.
Le gray est cent fois plus grand que l'ancienne unité, le rad, qu'il a remplacé en 1986.


LES DANGERS DES RAYONNEMENTS


Voir tableau ci dessous :

Il faut savoir qu'un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse (il arrache des électrons aux atomes qu'il rencontre sur son passage). Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux pour la santé humaine.

Les radiations ionisantes correspondent à des rayonnements électromagnétiques ou particulaires possédant une énergie associée supérieure à 10 électronvolt (eV). Le danger réside dans le fait que ce rayonnement émet suffisamment d’énergie pour modifier ou briser les molécules d’ADN, ce qui peut endommager ou tuer une cellule. Il peut en résulter de graves problèmes de santé à long terme :


- Soit par interaction avec la molécule d’ADN, modifiant sa structure par ionisation. C’est l’effet direct.

- Soit par ionisation des molécules d’eau (H2O) contenues dans notre corps qui absorbent une grosse quantité de radiation, donnant pour résultat des radicaux libres. Ceux-ci sont des molécules particulièrement toxiques qui interagissent avec des éléments de nos cellules. Ces radicaux libres peuvent détruire des cellules saines, et provoquer des modifications structurelles des molécules d’ADN. C’est l’effet indirect. Une cellule ainsi endommagée peut devenir cancéreuse ou bien non fonctionnelle. Le système immunitaire tente alors de rétablir les dommages, ce qui est dans la majorité des cas efficace, à condition qu’un seul des deux brins d’ADN soit atteint. En revanche, si les deux brins sont touchés, la réparation s’avère alors impossible et on aboutit à la mort cellulaire. En cas de modification chimique ou de mutation, toute réparation devient impossible. Il peut en résulter le développement d’un cancer ou la transmission d’une mutation génétique. Les vols spatiaux en orbite basse ainsi que les vols lunaires Apollo n’ont pas fourni assez de données et de recul pour appréhender véritablement ces phénomènes.

Les particules émises (ions lourds) lors des éruptions solaires et qui peuvent traverser sans le moindre problème aussi bien les parois des vaisseaux spatiaux que les corps des astronautes. Ces derniers ne s'en ressentent nullement, sauf lorsqu'elles frappent la rétine. Elles provoquent alors l'apparition d'éclairs (que l'on croyait du à l'effet Tcherenkov), comme un flash traversant le champ de vision, ou une petite tache si la particule frappe de face. Ce phénomène a été décrit pour la première fois lors des vols Apollo vers la Lune, le vaisseau se trouvant alors au-delà de la protection des ceintures de Van Allen, mais est aussi remarqué lors du survol de l'anomalie de l'Atlantique Sud, où le bouclier magnétique est affaibli. Il peut donc bien y avoir interaction entre les rayons cosmiques et les cellules humaines.

Effets biologiques des radiations ionisantes suite à exposition prolongée (plusieurs mois voir années) :


a) à long terme :

Mutations au niveau des cellules pouvant causer soit le cancer ou des dommages génétiques. Ces derniers peuvent être transmis aux descendants. On peut observer chez la personne exposée, une diminution de la probabilité de durée de vie. Toutes les radiations subies s’ajoutent et se cumulent tout au long de la vie.


b) à court terme : (effets produits par une dose aiguë, plus de 100 mSv au corps entier ou 1 000 mSv à un seul organe) :
perte de cheveux, vomissements, rougeurs sur la peau irradiée.

Effets biologiques des radiations ionisantes suite à une exposition courte sur la durée (environs 7 à 8 jours) :


Exemple: Les astronautes qui à ce jour ont connu la plus forte exposition aux rayonnements cosmiques, ceux des missions Apollo qui firent le voyage jusqu’à la Lune, ont développé des cataractes environ 7 ans plus tôt en moyenne que les autres astronautes. La cataracte est un signe courant du vieillissement.

Au moins 39 anciens astronautes ont souffert d'une certaine forme de cataracte après être allés dans l'espace, selon une étude en 2001 réalisée par Francis Cucinotta du centre spatial Johnson de la Nasa. De ces 39 astronautes, 36 avaient volé sur des missions avec un taux de radiation élevé, telles que les atterrissages lunaires du programme Apollo. Quelques cataractes sont apparues 4 ou 5 ans après la mission, mais d'autres ont pris 10 années ou plus pour se manifester.

Au cours des missions Apollo, les doses enregistrées ont été inférieures aux estimations figurant dans le tableau ci dessous. Les doses reçues ont varié de 1,5 mGy, soit 150 mrad (Apollo VII, et VIII) à 11,4 mGy , soit 1140 mrad (Apollo XIV).

Il s'agit de moyennes des doses mesurées par les différents dosimètres portés par les trois membres de l'équipage.

Le danger dans ces vols était celui d'une éruption solaire susceptible de créer une irradiation importante.

La conduite à tenir prévue par la NASA dans ce cas est résumée dans le tableau ci dessous.

Bon à savoir: Toutes les missions habitées (65 soviétiques et 60 US à la date du 1 er juillet 1989) se sont déroulées sans que le danger dû aux éruptions solaires ai été affronté directement.

Prenons l’exemple de la tempête solaire d’août 1972 qui s’est produite entre deux missions lunaires: l’équipage d’Apollo 16 était revenu sur Terre en avril et l’équipage d’Apollo 17 se préparait pour un alunissage en décembre. Selon Francis Cucinotta, scientifique en chef du programme sur l’étude du rayonnement spatial de la NASA, un astronaute pris dans cette tempête aurait pu absorber 4.000 millisieverts. Une dose mortelle ? «Pas nécessairement», juge-t-il. Un retour vers la Terre pour des soins médicaux adaptés aurait pu sauver la vie de l’infortuné. Certes, aucun astronaute ne va se promener sur la Lune (une combinaison spatiale n’a qu’une densité de 0,25 gr/cm², n’offrant que très peu de protection), quand il y a une tache solaire géante qui menace. «Ils vont rester à l’intérieur de leur vaisseau spatial» toujours selon Cucinotta. Un Module de Commande Apollo avec sa coque en aluminium aurait atténué les effets de la tempête de 1972 passant la dose de 4.000 millisieverts à moins de 350 millisieverts au niveau des organes hématopoïétiques de l’astronaute.


Sievert, unité de dose biologique: L’unité de dose d'irradiation significative pour un être vivant est le sievert ou Sv. Comme cette unité est assez grande, on exprime beaucoup plus souvent les doses biologiques en millisievert ou mSv. En Europe, la dose annuelle moyenne à laquelle la population est exposée est environ de 4 mSv par personne.
La dose biologique se calcule en théorie de la manière suivante. La dose d’énergie (exprimée en gray ou Gy) absorbée par chaque organe ou tissu, durant un laps de temps donné, est multipliée par un facteur de « pondération radiologique » pour obtenir une « dose équivalente » tenant compte de la nocivité du rayonnement. Ce facteur de nocivité varie de 1 pour les gamma, les rayons X et les électrons, à 10 pour les neutrons, et à 20 pour les particules alpha. La faible valeur de la nocivité pour les gamma, les rayons X et les électrons reflète le fait que ce sont les particules les moins ionisantes.


LES SOLUTIONS APPLIQUÉES AU PROGRAMME APOLLO


D'après un compte rendu de la NASA (publication NASA SP-71 de 1964) et les informations se trouvant à l'intérieur (effets des radiations sur les matériaux, aussi bien que les interactions et le transport de radiations par ce vaisseau spatial, etc..). On démontrée que des études portant sur la protection, ont recherchées une protection raisonnable du vaisseau spatial et des astronautes de manière intensive. Un programme informatique a été utilisé pour calculer la dose que subit l'astronaute par rapport à l'efficacité de l'armature et de la géométrie structurelle du CSM : géométrie définie selon la description des dimensions et de la construction matérielle du vaisseau spatial.

Des paramètres détaillés de construction pour Apollo ont été achevés seulement après ces études préliminaires complètes et sur la mise à l'épreuve de la configuration géométrique du vaisseau spatial ont été complétées. La NASA et la NAA (le constructeur du vaisseau spatial Apollo) ont choisis un programme qui a divisé le vaisseau spatial en 370 régions, permettant la mesure critique de ces régions pour être mis en application dans la conception finale.

Un programme informatique a calculé la dose et les valeurs de dose secondaires à un point quelconque dans le CSM, aussi bien que les effets de dose qui seraient reçus par différentes parties des corps d'astronautes dans différentes positions dans le CSM.


Un système complet de radioprotection a été mis en application pour Apollo, en raison de ces études. C'est d'abord une protection physique, constituée, d'une part par le scaphandre et de l'autre le revêtement de la cabine...

La géométrie du vaisseau ainsi que beaucoup de matériaux ont été étudiés lors de sa fabrication afin de réduire les doses d'irradiation. De plus, une répartition judicieuse de l'équipement, de l'appareillage et des réserves de bord ont d'ailleurs permis de renforcer cette défense.

Bien entendu, il n'est toutefois pas possible d'obtenir une protection uniforme, en raison de la structure même de la cabine et du fait que ses différentes parties peuvent se trouver plus au moins exposées. A titre d’illustration de ce manque d’homogénéité dans la protection, on citera les premières vingt-quatre heures du vol Apollo 8 durant lesquelles Borman et Anders absorbèrent des doses très différentes, les mesures respectives donnant 0,0004 et 0,002 gray (le gray mesure l’énergie apportée par les rayonnements et 1 gray est égal à 1 joule par kg). Ce faisant, les astronautes se dirigeant vers notre satellite naturel reçurent une dose globale de 25 à 35 millisievers (unité utilisée pour quantifier les effets biologiques des rayonnements et dérivée du gray), qu’ils purent supporter sans danger.

Il faut savoir que cette technologie comporte aussi, le système manuel de contrôle d'attitude (RCS) pour permettre aux astronautes de réorienter le vaisseau spatial, en interposant le module de service lourdement protégé (réservoirs de propergols, d'oxygène et d'hydrogène) entre eux et le rayonnement pénétrant des particules, du rayonnement X , émission solaire, et rayonnement ultra-violets, éruptions chromosphériques, champ magnétique et perturbations ionosphériques...

Un réseau (SPAN, Solar Particle Alert Network) de surveillance et d'avertissement (7 stations d'observation) est installé sur Terre et est prêt à alerter les astronautes des événements solaires imminents (ce qui ne se sont jamais produits).


A noter que dans des cas graves, on peut avoir recours à des moyens de protection chimiques. Les spécialistes ont en effet mis au point des produits pharmacologiques qui, comme l'on montré les expériences pratiquées sur des animaux, constituent une défense efficace contre les effets nocifs des radiations ionisantes.


Les organes hématopoïétiques sont des organes permettant la création et le renouvellement des cellules sanguines et sont chez l’adulte la moelle osseuse et le tissu lymphoïde (thymus, ganglions, rate et autres formations lymphoïdes). Ce sont des organes particulièrement sensibles aux rayonnements.


"Médecine Aérospatiale" ouvrage collectif sous la direction de J. COLIN, Expansion Scientifique Française, 1990, ISBN:2-70461333-8, texte de Paul Cultrera.

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