Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 51005 10.12737/szf-83202204 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Estimated equivalent radiation dose at different altitudes in Earth’s atmosphere Оценка эквивалентной дозы излучения на разных высотах атмосферы Земли Маурчев Евгений Александрович Maurchev Evgeniy Aleksandrovich maurchev@pgia.ru Михалко Евгения Александровна Mikhalko Evgeniya Aleksandrovna mikhalko@pgia.ru Балабин Юрий Васильевич Balabin Yuriy Vasilyevich balabin@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Германенко Алексей Владимирович Germanenko Aleksey Vladimirovich alex.germanenko@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Гвоздевский Борис Борисович Gvozdevsky Boris Borisovich gvozdevsky@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Россия Полярный геофизический институт Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation 30 09 2022 30 09 2022 8 3 29 34 15 06 2022 16 08 2022 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/51005/view

Статья посвящена моделированию прохождения протонов космических лучей через атмосферу Земли. Целью работы является получение характеристик потоков вторичных частиц на разных высотах и пересчет этих значений в показатели эквивалентной дозы. Методика пересчета основана на численном моделировании взаимодействия частиц с антропоморфным фантомом. В работе рассмотрены два случая с использованием в качестве входных параметров модельного источника первичных частиц спектров протонов, соответствующих как галактическим, так и солнечным космическим лучам. Результаты вычислений представлены в табличном виде для интервала высот от 0 км до 11 км, верхнее значение соответствует стандартной высоте полета гражданских авиалайнеров. Показано хорошее согласие результатов расчетов с результатами аналогичных работ, проведенных другими научными группами.

The paper reports the results of simulation of cosmic ray proton transport through Earth’s atmosphere. The main objective of this work is to obtain characteristics of secondary particle fluxes at different altitudes and to convert them to equivalent dose values. The technique for the conversion is based on numerical simulation of interaction between the particles and an anthropomorphic phantom. The paper examines two cases, using a model source of primary proton spectra as input parameters, which correspond to both purely galactic cosmic rays and solar cosmic rays. The computational results are tabulated for the altitude range from 0 km to 11 km above sea level; the upper range value corresponds to the flight altitude of civilian airliners. These results are shown to agree well with the results obtained by other research teams.

 космические лучи астрофизика метод Монте-Карло GEANT4 физика частиц численное моделирование cosmic rays astrophysics Monte Carlo method GEANT4 particle physics numerical simulation Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РНФ № 18-77-10018 (Балабин Ю.В., Германенко А.В., Маурчев Е.А.) The study was financially supported by RSF Grant No. 18-77-10018 (Balabin Yu.V., Germanenko A.V., Maurchev E.A.)

ГОСТ 25645.104-84. Лучи космические. Термины и определения. М.,1985. 9 с. Allison J., Amako K., Apostolakis J., Arce P., Asai M., Aso T., et al. Recent developments in Geant4. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2016, vol. 835, pp. 186-225. DOI: 10.1016/ j.nima.2016.06.125. Лощаков И.И. Введение в дозиметрию и защита от ионизирующих излучений: Учебной пособие. СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ), 2008. 145 с. Amelin N.S., Armesto N., Pajares C., Sousa D. Monte Carlo model for nuclear collisions from SPS to LHC energies. The European Physical Journal C - Particles and Fields. 2001, vol. 22, iss. 1, pp. 149-163. DOI: 10.1007/s100520100761. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Модельный комплекс для исследования космических лучей. Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 4. С. 3-8. DOI: 10.12737/21289. Butikofer R., Fluckiger E., Desorgher L., Moser M. The extreme solar cosmic ray particle event on 20 January 2005 and its influence on the radiation dose rate at aircraft altitude. Sci. Total Environ. 2008, vol. 391, iss. 2-3, pp. 177-183. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2007.10.021. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В. и др. Расчет скорости ионизации вещества атмосферы Земли протонами галактических и солнечных космических лучей. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 3. С. 81-88. DOI: 10.12737/szf-53201908. Firoz K.A., Gan W.Q., Li Y.P., Rodriguez-Pacheco J., Kudela K. On the possible mechanism of GLE initiation. Astrophys. J. 2019, vol. 872, no. 2. 178. DOI: 10.3847/1538-4357/ab0381. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В. и др. Расчет скорости ионизации во время события GLE с использованием глобальной модели атмосферы Земли и оценка вклада в этот процесс частиц галактических космических лучей с Z>2. Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2021. Т. 85, № 3. С. 388-392. DOI: 10.31857/s0367676521030182. Garny S., Leuthold G., Mares V., Paretzke H.G., Ruhm W. Geant4 transport calculations for neutrons and photons below 15 MeV. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009, vol. 56, no. 4, pp. 2392-2396. DOI: 10.1109/TNS.2009.2023904. Allison J., Amako K., Apostolakis J., et al. Recent developments in Geant4. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2016. Vol. 835. P. 186-225. DOI: 10.1016/ j.nima.2016.06.125. GOST 25645.104-84. Luchi kosmicheskie. Terminy i opredeleniya. [GOST 25645.104-84. Cosmic rays. Terms and definitions]. Moscow, 1985, 9 p. (In Russian). Amelin N.S., Armesto N., Pajares C., Sousa D. Monte Carlo model for nuclear collisions from SPS to LHC energies. The European Physical Journal C - Particles and Fields. 2001. Vol. 22, iss. 1. P. 149-163. DOI: 10.1007/s100520100761. Heikkinen A., Stepanov N., Wellisch J.P. Bertini intra-nuclear cascade implementation in Geant4. Computing in High Energy and Nuclear Physics 2003, MOMT008, 7 p. ePrint nucl-th/0306008. Butikofer R., Fluckiger E., Desorgher L., Moser M. The extreme solar cosmic ray particle event on 20 January 2005 and its influence on the radiation dose rate at aircraft altitude. Sci. Total Environ. 2008. Vol. 391, iss. 2-3. P. 177-183. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2007.10.021. Loshchakov I.I.Vvedenie v dozimetriyu i zashchita ot ioniziruyushchikh izluchenii [Introduction to dosimetry and protection from ionizing radiation]. St. Petersburg, St. Petersburg Polytechnic University Publ., 2008, 145 p. (In Russian). Firoz K.A., Gan W.Q., Li Y.P., et al. On the possible mechanism of GLE initiation. Astrophys. J. 2019. Vol. 872, no. 2, 178. DOI: 10.3847/1538-4357/ab0381. Matthia D., Heber B., Reitz G., Meier M., Sihver L., Berger T., Herbst K. Temporal and spatial evolution of the solar energetic particle event on 20 January 2005 and resulting radiation doses in aviation. J. Geophys. Res. A: Space Phys. 2009, vol. 114, iss. 8, A08104. DOI: 10.1029/2009JA014125. Garny S., Leuthold G., Mares V., et al. Geant4 transport calculations for neutrons and photons below 15 MeV. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. Vol. 56, no. 4. P. 2392-2396. DOI: 10.1109/TNS.2009.2023904. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic ray interactions with matter. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 2, no. 4, pp. 3-10. DOI: 10.12737/24269. Heikkinen A., Stepanov N., Wellisch J.P. Bertini intra-nuclear cascade implementation in Geant4. Computing in High Energy and Nuclear Physics. 2003. MOMT008, 7 p. ePrint nucl-th/0306008. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Germanenko A.V., Mikhalko E.A., Gvozdevsky B.B. Calculating the ionization rate induced by GCR and SCR protons in Earth’s atmosphere. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, no. 3, pp. 68-74. DOI: 10.12737/stp-53201908. Matthia D., Heber B., Reitz G., et al. Temporal and spatial evolution of the solar energetic particle event on 20 January 2005 and resulting radiation doses in aviation. J. Geophys. Res. A: Space Phys. 2009. Vol. 114, iss. 8. A08104. DOI: 10.1029/2009JA014125. Maurchev E.A., Balabin Y.V., Germanenko A.V., Mikhalko E.A., Gvozdevsky B.B. Calculating the rate of ionization during a GLE event with a global model of Earth’s atmosphere and estimating of the contribution to this process from galactic cosmic ray particles with Z>2. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2021, vol. 85, iss. 3, pp. 277-281. DOI: 10.3103/S1062873821030163. Menzel H.G. The International Commission on Radiation Units and Measurements. J. ICRU. 2010. Vol. 10, iss. 1. P. 1-106. Menzel H.G. The international commission on radiation units and measurements. J. ICRU. 2010, vol. 10, iss. 1, pp. 1-106. Mishev A.L., Adibpour F., Usoskin I.G., Felsberger E. Computation of dose rate at flight altitudes during ground level enhancements no. 69, 70 and 71. Adv. Space Res. 2015. Vol. 55. P. 354-362. DOI: 10.1016/j.asr.2014.06.020. Mishev A.L., Adibpour F., Usoskin I.G., Felsberger E. Computation of dose rate at flight altitudes during ground level enhancements no. 69, 70 and 71. Adv. Space Res. 2015, vol. 55, pp. 354-362. DOI: 10.1016/j.asr.2014.06.020. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, iss. A12. 1468. DOI: 10.1029/2002ja009430. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, iss. A12, 1468. DOI: 10.1029/2002ja009430. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling. Astrophys. Space Sci. Transactions. 2011. Vol. 7, iss. 4. P. 459-463. DOI: 10.5194/astra-7-459-2011. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling. Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011, vol. 7, iss. 4, pp. 459-463. DOI: 10.5194/astra-7-459-2011. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/rad_5.htm (дата обращения 13 июня 2022 г.). URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/rad_5.htm (accessed June 13, 2022).