Impact de l'anomalie de l'Atlantique Sud sur l'exposition aux rayonnements aux altitudes de vol pendant le minimum solaire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9348 (2023) Citer cet article

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L'anomalie de l'Atlantique Sud (ASA) est une région géographique au-dessus de l'océan Atlantique Sud où la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen s'étend particulièrement près de la Terre. Cela conduit à des niveaux très élevés de rayonnements ionisants et à des impacts connexes sur les engins spatiaux en orbite terrestre basse, par exemple, une exposition accrue aux rayonnements des astronautes et des composants électroniques de la Station spatiale internationale. Selon une légende urbaine, le SAA est également censé affecter le champ de rayonnement dans l'atmosphère jusqu'aux altitudes de l'aviation civile. Afin d'identifier et de quantifier toute contribution supplémentaire à l'exposition omniprésente au rayonnement due au rayonnement cosmique galactique aux altitudes de vol, des mesures complètes ont été effectuées en traversant la région géographique de la SAA à une altitude de 13 km dans une mission de vol unique : Atlantic Kiss. Aucune indication d'exposition accrue aux radiations n'a été trouvée.

La Terre est efficacement protégée du rayonnement cosmique par son champ magnétique et son atmosphère1. Le champ géomagnétique ressemble à un champ dipolaire à une certaine distance de la surface de la Terre. Les particules chargées de l'espace extra-atmosphérique et les produits de désintégration des neutrons générés dans l'atmosphère sont piégés dans les ceintures de rayonnement dites de Van Allen entourant la Terre. L'axe du champ magnétique en forme de dipôle de la Terre, cependant, est décalé et incliné par rapport à l'axe de rotation de la Terre, ce qui entraîne le phénomène de ce qu'on appelle l'anomalie de l'Atlantique Sud (SAA). Il s'étend de l'océan Atlantique Sud de l'Afrique à l'Amérique du Sud et de l'équateur à l'Antarctique et peut être caractérisé comme une région avec une intensité de champ géomagnétique réduite par rapport à des latitudes comparables2. En conséquence, la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen s'étend particulièrement près de la Terre, ce qui entraîne une forte augmentation des niveaux de rayonnement dans l'espace proche de la Terre dans la région. Cet effet pose un risque pour la sécurité des vols spatiaux habités et des composants électroniques, par exemple, sur l'ISS. Des niveaux accrus de rayonnements ionisants lors des transits SAA avaient déjà été mesurés à bord de la station spatiale russe MИP ("paix")3 et à bord de l'ISS4,5,6. A l'intérieur de l'ISS, qui fait le tour de la Terre à environ 420 km d'altitude, les débits de dose journaliers moyens dans le silicium mesurés à l'horizon mars/avril 2021 représentaient environ 280 µGy/jour avec des valeurs maximales atteignant plusieurs centaines de µGy/min proches de le centre de l'ASA. Les valeurs de dose augmentent même à des altitudes plus élevées et à un blindage géomagnétique plus faible, par exemple observé avec le détecteur RAMIS (RAdiation Measurements In Space) à bord du satellite DLR Eu:CROPIS (Euglena gracilis: Combined Regenerative Organic-food Production In Space) en orbite polaire à environ 600 km7. La figure 1 montre la carte des débits de dose dans le silicium à l'horizon mars/avril 2021 derrière un blindage moyen de 3 mm d'aluminium mesuré par RAMIS jusqu'à une latitude de ± 83°. La région géographique du SAA est caractérisée par la forte augmentation des débits de dose dans le silicium avec des valeurs maximales jusqu'à 180 µGy/min au sein du cœur du SAA.

Débit de dose absorbée (µGy/min) dans le silicium à 600 km d'altitude mesuré avec l'instrument RAMIS à bord du satellite DLR Eu:CROPIS en mars et avril 2021.

Plusieurs exemples de dommages causés par les rayonnements sur des satellites traversant la SAA sont donnés par Olson et Amit, qui soulèvent également la question de savoir s'il y a des problèmes de santé posés par la SAA même à des altitudes plus basses, c'est-à-dire « dans la plage d'altitude de 5 à 10 km voyage en avion"2. Dans un article de la revue scientifique populaire allemande "Bild der Wissenschaft", la rumeur a été lancée que la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen affecterait également l'exposition aux rayonnements aux altitudes de l'aviation civile dans la région de l'Atlantique Sud et que la dose de rayonnement sur un vol de Francfort à Buenos Aires coûterait environ 1000 fois plus qu'un vol à destination de Tokyo, bien qu'aucune preuve scientifique de cette affirmation ne soit donnée dans cet article8. Néanmoins, cette rumeur s'est rapidement propagée parmi les membres d'équipage allemands et est depuis source d'inquiétude. Bien que les valeurs de mesure aux altitudes d'aviation de la région de l'Atlantique Sud publiées par Federico et al. en 2015 n'ont donné aucune indication d'une augmentation locale des débits de dose9, ces rumeurs ont été encore renforcées, par exemple, par un article disponible sur la page Web du Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ) suggérant que "… la protection contre les rayonnements nocifs de l'espace est réduite" dans la région SAA qui conduit à "… des doses de rayonnement plus élevées pour les passagers des vols long-courriers"10. De plus, même des conspirateurs ont affirmé que le public serait intentionnellement mal informé sur les prétendus niveaux fortement accrus d'exposition aux rayonnements à une altitude de 12 km dans la région géographique de la SAA11. D'autres informations alarmistes ou trompeuses, c'est-à-dire n'excluant pas l'aviation et les basses altitudes lorsqu'elles font référence aux effets en orbite terrestre basse (LEO), sont diffusées sur Internet, par exemple par Wikipedia en utilisant le terme de recherche "SAA". Par exemple, la déclaration « Auch auf der Erdoberfläche ist die ionisierende Strahlung erhöht » (« le rayonnement ionisant est même augmenté au niveau du sol », version allemande de Wikipedia, consultée le 27 février 2023)12 dans le contexte de la SAA est trompeuse, car l'augmentation mesurable des rayonnements ionisants au niveau du sol est causée par la radioactivité terrestre, par exemple, 232Th13, 14. Cependant, ce phénomène d'information trompeuse n'est pas limité aux pays germanophones, par exemple "Pour une altitude donnée, le niveau de radiations en provenance de l'espace est plus élevé dans l'Atlantique sud qu'en d'autres points du globe" », Wikipédia version française, consultée le 27 février 2023)15 ou « Omdat het aardmagneetveld zwakker wordt met zo'n 5% per eeuw, neemt de bescherming door de Van Allen-gordels ook af en komt de ZAA steeds lager boven het aardoppervlak te liggen" ("Étant donné que le champ géomagnétique s'affaiblit d'environ 5% par siècle, le blindage des ceintures de Van Allen diminue également et le SAA se rapproche de plus en plus de la surface de la Terre", Wikipedia version néerlandaise, consultée le 27 février 2023 )16. Bien que la légende urbaine de doses plus élevées de rayonnement à des altitudes de vol dans la région géographique de la SAA puisse inquiéter les passagers et le personnel navigant, elle n'a encore été étayée par aucune preuve scientifique.

L'exposition aux rayonnements du personnel navigant et les mesures de radioprotection correspondantes sont légalement réglementées dans plusieurs pays avec des normes de sécurité professionnelle supérieures basées sur les recommandations de la Commission internationale de protection radiologique (CIPR) depuis de nombreuses années17,18,19,20. Les réglementations comprennent, entre autres, la surveillance des expositions professionnelles aux rayonnements et le respect des limites de dose stipulées. En pratique, l'évaluation des doses est effectuée à l'aide de modèles de rayonnement atmosphérique qui doivent prendre en compte tous les composants pertinents contribuant au champ de rayonnement aux altitudes d'aviation. Par conséquent, une composante potentiellement importante causée par la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen dans la région géographique de la SAA doit être quantifiée et incluse dans ces modèles, si nécessaire. Le Centre aérospatial allemand (DLR) effectue des calculs de dose opérationnelle pour plusieurs compagnies aériennes, par exemple Lufthansa German Airlines, en utilisant le modèle PANDOCA (Professional AviatioN DOse CAlculator) qui a été vérifié avec succès avec des valeurs de mesure acquises lors de vols de mesure réguliers partout dans le monde pour la qualité assurance. Cependant, dans la zone géographique de la SAA, elle n'avait jusqu'à présent été vérifiée que jusqu'à 10 500 m d'altitude21. Étant donné que PANDOCA n'inclut aucun effet de rayonnement potentiel dû à la SAA et aux contributions de dose associées, l'acquisition de mesures à des altitudes plus élevées et la comparaison avec les calculs du modèle PANDOCA est une méthode pratique pour identifier toute composante de rayonnement supplémentaire dans cette région. Afin de répondre à la question de savoir si le champ de rayonnement du SAA touche ou non l'espace aérien supérieur de l'aviation civile, c'est-à-dire s'il provoque une augmentation de l'exposition aux rayonnements par rapport à la composante de rayonnement galactique omniprésente telle qu'évaluée avec PANDOCA dans la région géographique de intérêt, la mission Atlantic Kiss a été planifiée comme un vol de mesure complet de Francfort (FRA) à Buenos Aires (EZE) pour juin 2020 près de la transition entre les cycles solaires 24 et 25, c'est-à-dire pendant les conditions solaires minimales. Cependant, cette réalisation de la mission Atlantic Kiss a dû être annulée en raison de la crise pandémique mondiale du SARS-CoV-2 (syndrome respiratoire aigu sévère CoronaVirus 2) qui s'est installée peu de temps après la fin de la planification.

La crise mondiale du SRAS-CoV-2 n'a pas seulement affecté la recherche liée à l'aviation, mais a également posé un défi à l'Institut Alfred Wegener (AWI), le Centre allemand de recherche polaire et marine, puisque les scientifiques et l'équipage du navire de recherche Polarstern et du La station de recherche antarctique Neumayer III a dû être échangée dans un endroit relativement sûr près de l'Antarctique à la fin de l'été antarctique en 2021. Les îles Falkland semblaient être l'une des options limitées à cette fin et la direction de Lufthansa German Airlines (DLH) a déjà été contacté en juillet 2020 par AWI avec la demande d'examiner si un vol sans escale de Hambourg (HAM) vers les îles Falkland serait possible. Une analyse détaillée de la situation a montré qu'un vol de HAM à Mount Pleasant (MPN, East Falkland) en Airbus A350 et un vol de retour respectif de MPN à Munich (MUC) étaient jugés faisables. Cela a également offert une occasion unique d'impliquer le DLR et de rendre enfin possible la réalisation de la mission de vol Atlantic Kiss à travers la région géographique de la SAA.

Le champ de rayonnement complexe aux altitudes d'aviation est généré par l'impact de particules primaires d'origine cosmique et leurs interactions avec l'atmosphère et se compose de divers composants de rayonnement tels que les protons, les neutrons, les électrons, les pions, les muons, etc. Les effets du rayonnement sont caractérisés par la dépôt de son énergie dans la matière et différentes quantités de dose ont été définies à cet effet. La grandeur fondamentale est la dose absorbée donnée par l'énergie absorbée par masse. Étant donné que les interactions sous-jacentes dépendent du matériau absorbant, une situation d'exposition identique dans un champ de rayonnement conduit à des valeurs différentes pour la dose absorbée dans différents matériaux. Afin d'étudier les effets potentiels du SAA sur l'exposition aux rayonnements à des altitudes d'aviation, trois grandeurs de dose mesurables ont été comparées aux prédictions correspondantes des calculs du modèle PANDOCA, à savoir l'équivalent de dose ambiant H*(10), la composante neutronique HN de l'air ambiant équivalent de dose H*(10), et la dose absorbée dans le silicium DSi. L'équivalent de dose ambiant H*(10) est une grandeur opérationnelle basée sur la dose absorbée dans les tissus et un facteur de qualité de rayonnement dépendant de la densité d'ionisation du champ de rayonnement20. H*(10) est un estimateur prudent de la dose efficace aux altitudes de vol, c'est-à-dire la quantité de protection primaire en radioprotection professionnelle du personnel navigant22. La composante neutronique HN est particulièrement intéressante en raison de sa contribution importante à H*(10). De plus, les neutrons peuvent avoir de plus grandes portées dans l'atmosphère que les particules cosmiques chargées primaires qui les génèrent. Par conséquent, les neutrons sont des messagers des interactions de particules dans la haute atmosphère et peuvent même atteindre le sol où ils sont détectés par les moniteurs de neutrons (NM), qui fournissent des informations générales sur l'intensité du rayonnement dans l'atmosphère23. D'autres informations précieuses peuvent être déduites de la dose absorbée dans le silicium DSi. Les détecteurs au silicium sont particulièrement sensibles aux particules chargées et peu sensibles aux neutrons24. Ainsi, DSi complète HN avec des informations sur la composante non neutronique du champ de rayonnement.

Un impact du SAA sur le champ de rayonnement aux altitudes de vol serait supposé si un écart significatif des valeurs de mesure par rapport aux calculs du modèle PANDOCA21 était observé pour toute quantité de dose en tenant compte des incertitudes respectives. Le modèle PANDOCA fournit des débits de dose calculés aux altitudes d'aviation en tenant compte de la modulation solaire, du blindage géomagnétique et du blindage atmosphérique. Les incertitudes dans les calculs du modèle proviennent des incertitudes dans les spectres GCR primaires, des calculs de transport du rayonnement cosmique primaire et secondaire dans l'atmosphère et des rigidités de coupure verticales effectives pour le blindage magnétique. Les incertitudes cumulées du modèle de calcul des expositions du GCR ont été estimées par de nombreuses campagnes de mesure21,28,32,35 à environ 5% à 10%. La comparaison des mesures des différentes quantités de dose avec les prédictions du modèle correspondant, qui reflètent nos connaissances actuelles de l'exposition aux rayonnements due au GCR, peut aider à identifier des contributions supplémentaires au champ de rayonnement.

Les instruments utilisés pour mesurer les trois grandeurs de dose différentes H*(10), HN et DSi du champ de rayonnement à des altitudes d'aviation au cours de la mission Atlantic Kiss étaient deux types de compteurs proportionnels équivalents tissulaires (TEPC), une sonde à neutrons Berthold LB6411- Pb avec plage d'énergie étendue ainsi que deux détecteurs à semi-conducteurs au silicium Liulin-6G.

Les deux compteurs proportionnels équivalents tissulaires déployés étaient des moniteurs de rayonnement environnemental HAWK versions 2 et 3 fabriqués par Far West Technology Inc. Ces instruments mesurent les spectres résolus dans le temps de l'énergie linéaire qui permettent de déterminer l'équivalent de dose ambiant H*(10) et sa dose correspondante taux. Le volume sensible de ces détecteurs est constitué d'une sphère d'un diamètre de 127 mm en plastique équivalent tissu (A-150) et remplie de gaz propane à basse pression. Il est conçu pour imiter le dépôt d'énergie dans un tissu de 2 µm. Les signaux des particules détectées sont traités à l'aide de deux analyseurs multicanaux (MCA) avec deux gains différents pour mesurer les spectres du transfert d'énergie linéaire. Pour le calcul de l'équivalent de dose, on suppose que ces spectres peuvent être directement comparés aux spectres de transfert linéaire d'énergie (LET) correspondants aux altitudes d'aviation4. Le convertisseur analogique-numérique (ADC) à faible gain mesure les spectres LET jusqu'à 1535 keV/μm avec une résolution de 1,5 keV/µm par canal et l'ADC à gain élevé jusqu'à 25,6 keV/µm avec 0,1 keV/µm par canal. Les deux instruments ont été étalonnés au Pacific Northwest National Laboratory par le fabricant avec des sources traçables aux normes du National Institute of Standards and Technology (NIST). L'étalonnage a été vérifié avec une source externe de Cs-13725,26.

La sonde à neutrons LB6411-Pb a été conçue par Berthold Technologies pour mesurer la composante neutronique HN de l'équivalent de dose ambiant H*(10) et le débit de dose correspondant. Il est constitué d'une sphère en polyéthylène de 25 cm de diamètre pour thermaliser les neutrons qui sont détectés par un tube compteur proportionnel à l'Hélium-3. Le détecteur a une couche externe de 10 mm de plomb pour améliorer la réponse aux neutrons à haute énergie en créant des neutrons secondaires avec des énergies plus faibles en raison des processus de spallation. L'instrument a été calibré dans l'installation de champ de référence à haute énergie (CERF) du CERN-UE par le fabricant27. Le débit de l'équivalent de dose ambiant est enregistré par intervalles de cinq minutes et affiché. Ces données sont d'un intérêt particulier car elles permettent d'évaluer la composante neutronique du champ de rayonnement aux altitudes d'aviation et tout effet inattendu déjà pendant le vol.

Deux détecteurs semi-conducteurs de type Liulin-6G LET ont été utilisés. Ils sont basés sur une diode PIN Hamamatsu S2744 avec une surface sensible de 21,2 mm × 11,2 mm et un préamplificateur sensible à la charge pour mesurer le flux de particules, la dose absorbée dans le silicium DSi et le débit de dose correspondant. Les détecteurs Liulin sont largement utilisés dans l'aviation par plusieurs groupes de recherche depuis de nombreuses années28.

Après la décision de recourir aux îles Falkland pour l'échange d'équipage et de matériel, deux vols correspondants étaient prévus pour janvier et mars 2021 (ex HAM 2021–01–31, retour sur MUC le 2021–02–04 et ex HAM 2021– 03–30, retour au MUC le 2021–04–03). Cependant, la pandémie de SRAS-CoV-2 a imposé des contraintes extraordinaires à la réalisation de cette mission de vol. Tous les membres d'équipage impliqués, c'est-à-dire de Lufthansa, AWI et DLR, ont dû se soumettre à des mesures complètes de prévention des infections. Une quarantaine stricte dans un hôtel contrôlé exclusivement organisé à cet effet commençant une quinzaine de jours avant le vol, et trois tests PCR sensibles au SARS-CoV-2 négatifs pendant cette période ont été nécessaires pour embarquer sur le vol vers les îles Falkland.

Les numéros de vol attribués étaient LH2574 pour le vol de Hambourg à Mount Pleasant (East Falkland) et LH2575 pour le vol de retour vers Munich. Les mesures essentielles de l'exposition aux rayonnements dans la zone géographique de la SAA ont été prises sur le vol LH2574 ex HAM le 2021–03–30. Étant donné que l'équipage AWI échangé était assez petit et qu'aucun équipement de poids digne d'être mentionné n'a été transporté, la charge utile était extrêmement faible sur ce vol. Par conséquent, l'avion pouvait déjà monter au niveau de vol (FL) de 43 000 pieds, également appelé FL430, peu de temps après avoir traversé l'équateur et avant d'atteindre la région d'intérêt et est resté à cette altitude pour le reste du vol. De plus, la mission de vol Atlantic Kiss a été effectuée avec l'avion le plus moderne de la flotte A350 de Lufthansa à l'époque (immatriculation D-AIXQ). L'atterrissage du LH2574 a eu lieu à l'aéroport de Mount Pleasant le 31/03/2021 à 11 h 20 UTC après un temps de vol de 15 h 46 min, qui a également établi un nouveau record dans l'histoire de Lufthansa. À leur arrivée à East Falkland, les équipages de Lufthansa et du DLR ont dû subir une quarantaine de chambre stricte dans un hôtel sélectionné à Stanley pendant l'escale de deux jours à nouveau tandis que l'équipage AWI a été transféré sur le navire de recherche Polarstern qui était ancré dans le port de Stanley.

La mission de vol Atlantic Kiss à travers la région géographique de la SAA était initialement prévue pour le minimum solaire entre les cycles 24 et 25 en 2020. Pendant les minima solaires, les expositions du GCR aux altitudes de vol sont au maximum, ce qui fournit une mesure optimale, c'est-à-dire des statistiques de comptage dans le cycle solaire. De plus, les conditions météorologiques spatiales sont généralement particulièrement stables en termes de perturbations magnétosphériques et la probabilité d'événements de particules solaires est extrêmement faible pendant cette période de transition. L'influence de l'activité solaire peut être exprimée par le paramètre W, un paramètre de modèle utilisant le modèle GCR de Matthiä et al.29. La figure 2 montre la variation du paramètre W, dérivé des taux de comptage moyens sur 30 minutes du Oulu Neutron Monitor (NM), pour les deux vols HAM-MPN et MPN-MUC. Les taux de comptage NM moyennés sur les vols étaient de 6784 min-1 et 6753 min-1 et les paramètres de modèle dérivés étaient W = 7,8 et W = 10,7 pour HAM-MPN et MPN-MUC, respectivement. La variation correspondante du taux de fluence dérivé des particules primaires pendant les vols était dans les fluctuations statistiques attendues pour des conditions météorologiques spatiales calmes, c'est-à-dire de l'ordre de quelques pour cent et inférieure à 1 % pour les taux de comptage du moniteur de neutrons d'Oulu, qui montrent des variations de 10 à 25 % entre le maximum et le minimum solaires.

Variation du paramètre W basée sur des moyennes sur 30 minutes des taux de comptage du moniteur de neutrons d'Oulu. Les heures de départ et d'arrivée des vols sont indiquées par les lignes verticales en pointillés.

Des événements de particules solaires ou des orages géomagnétiques qui auraient pu perturber le champ de rayonnement à des altitudes d'aviation ainsi que les ceintures de rayonnement n'ont pas été observés pendant les vols. Le flux de particules était inférieur à 1 pfu (unité de flux de particules, 1 pfu = 1 particule par seconde par cm2 par stéradian) selon le Space Weather Highlights SWPC PRF 2379 de la NOAA du 5 avril 2021. De plus, l'acquisition de données de référence nécessite une magnétosphère non perturbée. Les perturbations de la magnétosphère peuvent être décrites par l'indice Kp, qui varie de 0 à 9. Des conditions magnétosphériques calmes sont supposées si cet indice n'est pas supérieur à 31. L'indice Kp pendant le vol de HAM à MPN était ≤ 3- et il était ≤ 1 + pendant le vol de MPN à MUC30. Ainsi, les conditions météorologiques spatiales étaient optimales pour l'acquisition de données de référence lors de la mission de vol Atlantic Kiss.

Les données de mesure pertinentes ont été acquises lors du vol LH2574 de HAM à MPN puisque la zone géographique de la SAA a été entièrement traversée au FL430. Cependant, la zone centrale de cette région change de taille et de position en fonction de l'altitude, par exemple, l'orbite d'un satellite utilisé pour enregistrer des données de référence. En conséquence, la région d'intérêt pour la trajectoire de vol de LH2574 devait être définie comme la plage de latitudes comprises entre − 10° et − 45°, soit 10°S et 45°S, où le débit de dose mesuré à bord de l'Eu:CROPIS satellite était considérablement plus élevé que partout ailleurs (cf. Fig. 3). La durée du vol dans cette région était de 5 h 04. La plupart des appareils utilisés mesurent les débits de dose résolus temporellement. Afin de faciliter la comparaison des valeurs mesurées de ces débits de dose, notamment au sein de la région d'intérêt, les données correspondantes sont corrélées aux données de vol avec une haute résolution, ce qui permet de tracer les données en latitude plutôt qu'en temps. De plus, des moyennes sur 1 h des débits de dose sont calculées pour chaque instrument afin de réduire les incertitudes statistiques. Les débits de dose dépendant de la latitude pour la sonde à neutrons LB6411-Pb, les instruments Liulin-6G et les deux HAWK sont illustrés aux Fig. 4, 5 et 6. De plus, les calculs du modèle correspondant avec PANDOCA sont comparés aux mesures. Les niveaux de vol ainsi que les limites de la région d'intérêt (lignes pointillées), telles que définies ci-dessus, sont également tracées à titre de référence. Les incertitudes données pour les mesures comprennent à la fois les incertitudes statistiques des valeurs moyennes et les incertitudes systématiques supposées pour les instruments individuels. Le niveau d'incertitude généralement accepté lors de la comparaison des calculs des modèles avec les données de mesure dans le domaine de la dosimétrie aéronautique est de 30 %31.

Débit de dose absorbée dans le silicium (µGy/min) à 600 km d'altitude mesuré avec l'instrument RAMIS à bord du satellite DLR Eu:CROPIS en mars et avril 2021. La ligne grise représente la trajectoire de vol de la mission Atlantic Kiss de HAM à MPN. La section rouge de l'itinéraire de vol est considérée comme région d'intérêt.

Données HAWK 2 et HAWK 3 du débit équivalent de dose ambiant par rapport aux calculs du modèle PANDOCA (ligne rouge). Le profil de vol est également affiché (ligne bleue).

Le taux d'équivalent de dose ambiant pour les neutrons dHN/dt en fonction de la latitude géographique pour le modèle PANDOCA et les valeurs de mesure acquises à l'aide de la sonde à neutrons LB6411-Pb (1 h moyenne). Le profil de vol est également affiché (ligne bleue).

Le taux de la dose absorbée en silicium en fonction de la latitude géographique pour le modèle PANDOCA et les valeurs de mesure acquises à l'aide des Liulin MDU-1 et MDU-2 (moyenne 1 h). Le profil de vol est également affiché (ligne bleue).

Les incertitudes systématiques pour les deux HAWK sont supposées être de l'ordre de 5 %32. Les données de mesure du débit équivalent de dose ambiant de la version 2 de HAWK sont légèrement supérieures aux calculs du modèle PANDOCA pour toutes les latitudes et altitudes de LH2574. Ce comportement reflète une déviation systématique et est également en bon accord avec les résultats de la campagne de vol CONCORD (COmparisoN of COsmic Radiation Detectors28). Les données acquises par HAWK version 3 sont inférieures aux calculs du modèle dans la région équatoriale, mais montrent un bon accord sinon (Fig. 4). Ni HAWK ne montre aucune preuve d'une contribution significative supplémentaire au champ de rayonnement aux altitudes d'aviation de la SAA.

Les données de la sonde à neutrons LB6411-Pb et les calculs PANDOCA du débit de dose ambiant par les neutrons dHN/dt montrent globalement un bon accord (Fig. 5). Les incertitudes systématiques de l'instrument sont estimées à environ 10%33. Des hautes latitudes aux basses latitudes, le débit de dose calculé passe d'un niveau légèrement supérieur à la mesure à un niveau légèrement inférieur. Cela semble être un effet combiné de la latitude, c'est-à-dire du blindage géomagnétique, ainsi que de l'altitude et n'est pas une caractéristique particulière des données dans la région SAA. S'il y avait une contribution considérable de la SAA dans la région d'intérêt, une augmentation des débits de dose au-dessus du bruit de fond du GCR vers le centre de la SAA à environ -30° serait attendue, suivie d'une diminution plus au sud contrairement à la monotonie observée. sous-estimation croissante des débits de dose des modèles. Particulièrement à l'extrémité sud de la région d'intérêt, une telle baisse du débit de dose n'est pas mesurée. Par conséquent, il est hautement improbable que l'écart observé entre les débits de dose modélisés et mesurés soit lié à une contribution supplémentaire des neutrons au champ de rayonnement au FL430 en raison de la SAA.

Les données de mesure de Liulin-6G et les calculs du modèle PANDOCA sont globalement en bon accord (Fig. 6). Les incertitudes systématiques des deux Unités Mobiles de Dosimétrie (MDU) Liulin-6G utilisées sont estimées à environ 10%32. Liulin MDU-1 n'a intentionnellement pas été allumé avant de traverser l'équateur sur LH2574 afin de disposer d'un instrument de rechange entièrement chargé pour l'acquisition de données dans la région d'intérêt. Les valeurs de mesure correspondent aux calculs sans excès perceptible dans la région SAA, ce qui indique que l'instrument n'a pas mesuré les contributions inconnues au champ de rayonnement dues aux particules chargées.

Les valeurs de dose totale pour les vols de HAM à MPN (LH2574) et de MPN à MUC (LH2575) sont répertoriées dans le tableau 1 qui comprend également les doses intégrales pour deux dosimètres à semi-conducteur supplémentaires de type M-42 développés au DLR34. Les mesures de neutrons ont été prises en charge par des détecteurs de bulles (BD)35,36, dont les résultats sont également répertoriés dans le tableau 1. Sur le vol LH2575 de MPN à MUC, seuls des BD à faible sensibilité ont été utilisés, ce qui a donné une valeur de dose avec une incertitude statistique élevée. Étant donné que Liulin MDU-1 n'a été allumé qu'après avoir traversé l'équateur, la dose totale en silicium n'est pas disponible pour ce vol. Les valeurs de dose particulières des quantités de dose utilisées sont différentes pour LH2574 et LH2575 en raison des différents profils et durées de vol.

Les résultats des données de mesure acquises au cours de la mission Atlantic Kiss ne donnent aucune indication d'un impact de la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen sur l'exposition aux rayonnements dans la région géographique de la SAA à une altitude de vol de 43 000 pieds, soit 13 km ou moins. En fait, ce résultat n'est pas surprenant, car aucun mécanisme suffisamment efficace pour le transport du rayonnement généré par les protons aux énergies habituelles de la ceinture de rayonnement interne jusqu'aux altitudes d'aviation n'est connu. La trajectoire des particules chargées piégées est un mouvement gyroscopique en spirale le long des lignes de champ magnétique avec un pas décroissant vers les basses altitudes. Les particules atteignent un point miroir à l'altitude la plus basse et rebondissent vers les altitudes plus élevées. L'altitude minimale au-dessus du sol dépend de diverses variables, par exemple, la vitesse de la particule, son angle de tangage initial et l'emplacement géographique, raison pour laquelle la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen descend à des altitudes plus basses par rapport à d'autres régions géographiques en raison à l'inclinaison et au déplacement de l'axe dipolaire du champ géomagnétique. Puisque même dans la région SAA, les points miroirs des protons sont à des altitudes supérieures à 100 km, les particules n'atteignent pas l'atmosphère. Bien que de nombreux événements au cours desquels des électrons ont été déviés de leur trajectoire dans la ceinture de rayonnement externe et précipités dans l'atmosphère sont documentés, par exemple, Clilverd et al.37, il n'est pas clair si des événements similaires se produisent au cours desquels un grand nombre de protons de haute énergie provenant de la ceinture de rayonnement interne pénètre dans l'atmosphère. Cependant, même si des protons de haute énergie pénétraient dans l'atmosphère, leur portée serait assez limitée. Une analyse des spectres d'énergie des protons, observés dans le SAA par l'Energetic Particle Telescope (EPT) à bord du satellite PROBA-V (Project for On-Board Autonomy -Vegetation) de l'ESA (Agence Spatiale Européenne), a montré une diminution des flux de protons de environ deux ordres de grandeur dans la gamme d'énergie entre 100 et 250 MeV à différentes positions au sein de la SAA à une altitude de 820 km38. Un proton incident verticalement nécessiterait une énergie d'environ 550 MeV pour atteindre FL430 en raison du blindage atmosphérique indépendant du blindage géomagnétique. De plus, le modèle de ceinture de rayonnement AP8 ne prédit aucun flux de protons avec des énergies supérieures à 500 MeV dans les ceintures de radiation à une altitude de 300 km ou moins et aucun flux de protons à des énergies supérieures à 100 MeV à une altitude de 150 km ou moins (cf. AP8-min tel qu'implémenté dans SPENVIS (SPace ENVironment Information System), www.spenvis.oma.be). De plus, on ne s'attend pas à ce qu'une fraction significative des particules chargées qui sont piégées dans la ceinture de rayonnement interne pénètre dans l'atmosphère, en particulier à de faibles angles zénithaux. Pour cette raison, les ceintures de Van Allen n'ont pas été incluses dans le modèle PANDOCA en tant que source susceptible d'affecter l'exposition aux rayonnements du personnel navigant et des passagers. Un mécanisme théorique de transport de rayonnement pourrait être concevable en raison de la création et du transport atmosphérique d'un champ neutronique secondaire. Bien que cela ne puisse être exclu a priori, cela nécessiterait un flux de protons primaires relativement élevé. Par conséquent, l'étude expérimentale de la composante neutronique est cruciale pour exclure ce mécanisme de transport de rayonnement.

Les données de mesure de la mission Atlantic Kiss confirment très bien les calculs du modèle PANDOCA dans le niveau d'incertitude généralement accepté. Plusieurs mesures de rayonnement à bord d'avions ont déjà été prises dans la région de l'Atlantique Sud, par exemple par le DLR pour la vérification du modèle PANDOCA21 et par Federico et al. conditions météorologiques de l'espace. Aucune des missions de vol n'a donné d'indication d'une augmentation locale des débits de dose dans la région géographique de la SAA. La mission Atlantic Kiss a cependant offert l'opportunité unique de traverser toute la région d'intérêt avec un A350 à 13 km d'altitude en un seul vol.

Les résultats sont basés sur des mesures acquises dans des conditions météorologiques spatiales calmes en transition du cycle solaire 24-25 et les mesures correspondantes doivent être répétées pendant les périodes de forte activité solaire, c'est-à-dire sur une période de magnétosphère perturbée pour une confirmation supplémentaire.

La mission Atlantic Kiss était prévue pour étudier tout effet potentiel de la ceinture de rayonnement intérieure de Van Allen sur l'exposition aux rayonnements aux altitudes de l'aviation civile dans la région géographique de la SAA et pourrait finalement être effectuée sur un vol unique de HAM à MPN en 2021 pendant la transition entre le cycle solaire 24 et 25 malgré la crise mondiale de la pandémie de SARS-CoV-2. Les conditions opérationnelles de cette mission étaient optimales puisque toute la zone géographique d'intérêt pouvait être traversée à 13 km d'altitude par temps calme de l'espace. De plus, les calculs utilisant le modèle de rayonnement PANDOCA ont été confirmés avec les données de mesure des quantités de dose étudiées pour cette altitude également, c'est-à-dire que le SAA ne provoque pas de contribution mesurable supplémentaire à l'exposition aux rayonnements attendue en raison de la composante GCR au vol altitudes de l'aviation civile dans des conditions météorologiques spatiales stables. La légende urbaine de l'augmentation de l'exposition aux rayonnements aux altitudes de vol dans la région géographique de la SAA semble reposer sur l'hypothèse d'une relation linéaire ou similaire entre l'augmentation de l'exposition aux rayonnements dans les LEO à l'intérieur et à l'extérieur de la SAA et l'effet correspondant sur la atmosphère sous la ceinture de rayonnement interne de Van Allen. De plus, cette idée fausse largement répandue est apparemment étayée par des niveaux accrus de rayonnement ionisant, même au niveau du sol. Cependant, la forte absorption des particules de la ceinture de rayonnement due au blindage atmosphérique est ignorée dans ce concept et il a été prouvé que l'augmentation mesurée du rayonnement au sol est causée par la radioactivité terrestre, par exemple le 232Th13,14. De plus, les données de mesure prises sur le vol LH2574 à une altitude de 13 km sont cohérentes avec le transport de rayonnement atmosphérique des protons observé dans le SAA à bord du satellite PROBA-V en utilisant le modèle de transport de rayonnement PANDOCA et confirment les mesures de rayonnement précédentes à bord des avions dans le Région de l'Atlantique Sud par Federico et al. et leur comparaison avec différents modèles de transport de rayonnement9.

En résumé, les résultats de la mission Atlantic Kiss contribuent à démystifier la légende urbaine des niveaux généralement accrus de rayonnements ionisants aux altitudes de vol dans la région géographique de la SAA qui ont causé des inquiétudes inutiles parmi les membres d'équipage et les passagers.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous reconnaissons avec gratitude le soutien de notre mission Atlantic Kiss par le Dr Eberhard Kohlberg (AWI) et le merveilleux équipage de LH2574/LH2575. En outre, nous tenons à remercier l'Observatoire géophysique de Sodankyla et l'équipe du site Web (http://cosmicrays.oulu.fi) pour avoir fourni les données du moniteur de neutrons d'Oulu.

Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL.

Centre aérospatial allemand, Institut de médecine aérospatiale, Biologie des rayonnements, Cologne, Allemagne

Matthias M. Meier, Thomas Berger, Daniel Matthiä, Mona C. Plettenberg, Kai Schennetten & Michael Wirtz

Lufthansa German Airlines, Lufthansa Basis, Francfort/Main, Allemagne

Thomas Jahn et Markus Scheibinger

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MM, KS, DM et MP ont planifié et exécuté la mission Atlantic Kiss, acquis et analysé les données, et rédigé la majeure partie de l'article. TB a fourni des informations sur l'environnement radiatif du SAA mesuré avec l'instrument RAMIS à bord du satellite Eu:CROPIS et a contribué au chapitre d'introduction. TJ et MS ont planifié le vol de HAM à MPN à travers la région géographique de la SAA, ont soutenu la mission en contact étroit avec les scientifiques et ont contribué à la partie correspondante sur le vol LH2574 de l'article. MW a soutenu la mission avec des services informatiques et a contribué au chapitre d'introduction.

Correspondance à Matthias M. Meier.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Meier, MM, Berger, T., Jahn, T. et al. Impact de l'anomalie de l'Atlantique Sud sur l'exposition aux rayonnements aux altitudes de vol pendant le minimum solaire. Sci Rep 13, 9348 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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Reçu : 14 mars 2023

Accepté : 24 mai 2023

Publié: 08 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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