[论文解读] Increased radiation events discovered at commercial aviation altitudes

W. Kent Tobiska, Alexa Halford+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Radiation Therapy and Dosimetry被引用 5

一句话总结

本研究在商业航班高度（高于9公里）识别出57起增强辐射事件，主要集中在43–67°N/S地磁纬度带（L壳层2–7），由范艾伦辐射带中的相对论性电子通过电磁离子回旋（EMIC）波相互作用引发。在地磁平静条件下，这些事件使有效剂量率较银河宇宙射线（GCR）背景水平最高提升32%，峰值剂量率接近GCR水平的两倍，表明北大西洋、北太平洋及美国本土航线的机组人员和频繁飞行乘客面临更高的辐射暴露风险。

ABSTRACT

We show fifty-seven enhanced radiation level events taken from new measurements on commercial altitude (greater than 9 km) aircraft that are analogous to planes flying through radiation clouds. More accurately, the plane is likely to be flying through a bremsstrahlung-origin gamma-ray beam. Evidence points to the beam being produced at higher altitudes by incident relativistic electrons coming from the Van Allen radiation belts and that have been generated by electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. The EMIC waves have been inferred by ground observatory, aircraft air, and satellite space observations as well as from modeling. We do not rule out other radiation sources associated with geomagnetic substorms and radiation belt coupling although these enhanced radiation events seem to frequently occur even during very minor geomagnetic disturbed conditions. These events show a dynamic and variable radiation environment at aircraft altitudes in a narrow magnetic latitude band (43-67 N, S; L-shells between 2 and 7). Observations are of dose rate enhancements that are statistically significant above the galactic cosmic ray (GCR) background. Measurements indicate that between 11-12 km during quiet geomagnetic conditions and at L-shell 4, the effective dose rate can be 32 percent higher than from GCRs alone. For the events themselves the mean effective dose rate is nearly double that for the background GCR level. The implication is that background exposure rates for North Atlantic (NAT), North Pacific (NoPAC), and the northern half of continental U.S. (CONUS) air traffic routes are typically higher than if one only considers GCRs. The net effect on aircraft crew and frequent flyers for these routes will be an increase in the monthly and annual exposures, which may have career-limiting health consequences.

研究动机与目标

• 识别并表征商业航班高度超过银河宇宙射线（GCR）背景水平的增强辐射事件。
• 确定这些辐射增强现象背后的物理机制，特别是相对论性电子与电磁离子回旋（EMIC）波的作用。
• 量化这些事件期间的剂量率增加，并评估其对航空辐射暴露的影响。
• 评估这些事件在北半球主要航线区域的频率与空间分布。
• 评估由于这些瞬态事件累积暴露导致的机组人员和频繁飞行乘客的长期健康影响。

提出的方法

• 分析在9公里以上高度飞行的商业飞机收集的原位辐射测量数据。
• 利用统计阈值识别高于GCR背景水平的辐射增强事件。
• 将辐射事件与地磁活动指数及EMIC波的卫星观测结果进行相关性分析。
• 应用L壳层映射技术，将事件定位在2–7 L壳层范围内，对应43–67°地磁纬度。
• 应用剂量率转换模型，基于测量的粒子通量估算有效剂量率。
• 将事件剂量率与长期GCR背景水平进行比较，以量化增强幅度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致商业航班高度出现超过银河宇宙射线（GCR）背景水平的瞬态辐射增强？
• RQ2 这些辐射事件如何与电磁离子回旋（EMIC）波及范艾伦辐射带中相对论性电子沉降相关联？
• RQ3 与GCR背景水平相比，这些事件期间的剂量率增强幅度有多大？
• RQ4 这些事件主要发生在哪些地理和地磁纬度区域？
• RQ5 在地磁平静条件下，这些事件发生的频率如何，其对航空辐射暴露的累积影响是什么？

主要发现

• 在商业航班高度共识别出57起统计显著的辐射增强事件，主要集中在43–67°N/S地磁纬度带及L壳层2–7范围内。
• 在L壳层4、11–12公里高度的地磁平静条件下，有效剂量率比GCR背景水平高出32%。
• 事件期间的平均有效剂量率接近GCR背景水平的两倍，表明存在显著的瞬态暴露增加。
• 即使在轻微地磁扰动期间，这些事件也频繁发生，表明存在一种独立于重大空间天气事件的持续辐射风险。
• 商业航班高度的辐射环境比以往认为的更具动态性和可变性，对航空辐射暴露模型具有重要影响。
• 研究结果表明，当前对机组人员和频繁飞行乘客的辐射暴露评估可能因未计入瞬态事件而显著低估累积剂量。