AS2105 Astronomi & Lingkungan

AS2105 Astronomi & Lingkungan Ferry M. Simatupang Prodi Astronomi – Fakultas MIPA Institut Teknologi Bandung

Last Updated: 18 October 2012

Bab 3 Antariksa 2

1. Sampah Antariksa 2. Hukum Antariksa 3. Bahaya Radiasi Antariksa 4. Perjalanan Antariksa

3.3. Bahaya Radiasi Antariksa 3

Outline 4

Pendahuluan 2. Sumber Radiasi Antariksa 1.

1. 2. 3.

Dampak

3. 1. 2. 3.

4.

Matahari Galaksi Atau Ekstragalaksi Bumi Perjalanan & Bekerja Di Antariksa Dampak Biologis Dampak Terhadap Instrumentasi

Solusi

3.3.1. Pendahuluan 5

November 1895: Roentgen Menemukan Sinar-x 6

Februari 1896: Becquerel Menemukan Radioaktivitas 7

1 Bq = 1 disintegration/second

Sinar- α, β,  8

Tipe Radiasi 9

Ada dua macam tipe utama radiasi: 1. Radiasi elektromagnetik: radiasi yang terdiri dari partikel takbermassa yang disebut foton 2. Radiasi corpuscular: radiasi yang terdiri dari partikel bermassa

Mengapa? 10

Eksplorasi antariksa  Perlindungan bagi manusia atau makhluk hidup yang berada di antariksa  Perlindungan bagi instrumentasi antariksa Cuaca dan Iklim Antariksa  Integrasi sistem Daratan-Lautan-AtmosferAntariksa  Cuaca dan Iklim antariksa terkait dengan cuaca dan iklim di Bumi atau planet lainnya

NASA Space Radiation Program Goal: 11

To live and work safely in space with acceptable risks from radiation

Radiation Risk is not measured-It is predicted by a model

Eksplorasi Antariksa 12

 Goes to the Moon in next

decade  Missions ~14 days by 2020  Long duration missions up to 240 days by 2022  Missions to Mars: towards 2030 building on the lunar program  Radiation protection requirements including dose limits for lunar missions are now being formalized

Cucinotta and Durante, The Lancet- Oncology (06) courtesy of John Frassanito and associates

Space Weather, Safeguarding The Journey 13

Interaction of dust and plasma on the surface of the Moon and in the exosphere

Space weather impacts on robotic and human productivity

Radiation bombardment on the lunar surface and subsurface

Aktivitas Matahari 14

1997

1998

1996 1999

Solar Min

2000

Matahari dalam sinar-X

Solar Max

Perisai Alami Bumi 15

Medan magnetik dan atmosfer Bumi adalah perisai alami yang melindungi manusia dari bahaya radiasi dan tumbukan batuan antariksa

Radiasi EM Dan Partikel Dari Matahari 16

ELECTROMAGNETIC RADIATION MAGNETOSPHERE

SOLAR WIND

ENERGETIC PARTICLES

POLAR CUSP

Radiasi elektromagnetik dan angin matahari (solar wind) yang merupakan pancaran partikel (proton, elektron dan ion) energi tinggi sangat mempengaruhi atmosfer dan medan magnet bumi

Aktivitas Matahari Dan Pengaruhnya 17

Solar Activity

Near-Earth Effects

Aktivitas Matahari berpengaruh besar terhadap lingkungan antariksa Bumi dan semua planet dalam tata surya

Badai Geomagnetik 18

MAGNETOSPHERE POLAR CUSP

SOLAR WIND

POLAR CUSP

Radiasi Elektromagnetik Dari Matahari 19

POWER

Prosentase total energi matahari 41 10-3

52

7

X-RAY & NEAR EXTREME ULTRA ULTRA VIOLET VIOLET

VISIBLE LIGHT

INFRARED

10-10 RADIO

WAVELENGTH

Partikel Energetik Dari Matahari 20

Partikel Energetik Dari Matahari 21

Aurora 22

 Terjadi akibat tumbukan partikel bermuatan dari

magnetosfer atau angin matahari, dengan bagian atas atmosfer Bumi  Terjadi di ketinggian diatas 80 km (termosfer) 



Emisi Oksigen  Hijau atau kecoklatan, bergantung jumlah energi yang diserap Emisi Nitrogen  Biru jika atom menangkap kembali elektron setelah terisonisasi.  Merah jika kembali ke ground state setelah tereksitasi

Aurora 23

Aurora Borealis 24

(Image credit: Thundafunda.com)

Aurora Dari Badai Matahari 24 Januari 2012 25

Aurora Australis Diamati Dari ISS 26

Aurora 27

Memancarkan radiasi EM mulai dari EUV sampai radio

Citra dalam Visual

Citra dalam EUV - AURORAL OVAL

Aurora 28

3.3.2. Sumber Radiasi Antariksa 29

Sumber Radiasi Antariksa 30

Matahari

1.   

Gelombang Elektromagnetik Partikel Energi Tinggi Angin Matahari Sinar kosmik  energi keV-MeV

Galaksi atau ekstragalaksi

2. 

Sinar kosmik  energi MeV-GeV

Magnetosfer Bumi  partikel yg terjebak magnetosfer

3.  

Sabuk van Allen Southern Atlantic Anomaly (SAA)

Matahari 31

Siklus Matahari 11 Tahun 32

solar minimum

solar maximum

solar maximum

Diagram Kupu-kupu 33

Diagram kupu-kupu: diagram yang menggambarkan siklus matahari dalam waktu dan posisi lintang bintik matahari. Siklus berawal (siklus minimum) dari bintik matahari di lintang tinggi kemudian muncul di sekitar ekuator atau saat siklus maksimum

Diagram Kupu-kupu 34

Prediksi Siklus Matahari ke-24 35

Maksimum siklus matahari ke-24 diprediksi terjadi pada bulan Mei 2013, dengan jumlah bilangan bintik matahari sekitar 90. Jumlah tsb sama dengan jumlah bintik di awal abad 19. Siklus ke-24 adalah siklus minimum perioda 100 tahunan

Partikel Energetik Matahari 36

 Terdiri dari proton, elektron, ion energi tinggi  Berasal dari ledakan matahari, lontaran massa korona    

(CME), lubang korona, dll. Bahaya radiasi terbesar partikel energi tinggi, jika berada dalam siklus matahari maksimum Sebaliknya intensitas maksimum sinar kosmik terjadi saat siklus matahari minimum Intensitas dan komposisi bergantung siklus matahari Upaya prediksi akurat sangat penting

Partikel Energetik Matahari 37

Sumber Partikel Energetik Matahari 38 MDI

Bintik matahari

EIT

LASCO

LASCO

GOES/XRAY

ACE ULEIS-SIS

Pelindung Bumi Dari Radiasi Matahari 39

1. Medan Magnet Bumi (magnetosfer) 2. Atmosfer Bumi

Cuaca Antariksa 40

 Ledakan matahari, angin matahari, badai

geomagnetik, pemanasan/pendinginan bumi …

Cuaca Antariksa dan Bumi 41

 Energi tinggi Solar Flares dan CME dapat

merusak satelit dan menganggu orbitnya  Komunikasi radio terganggu  Partikel energi tinggi menganggu astronot dan pesawat antariksa  CME menyebabkan aurora (Northern and Southern Lights)  Aliran listrik aurora dapat memutuskan jaringan pembangkit listrik

Cuaca Antariksa dan Bumi 42

Distribusi Proton Energi Tinggi 43 Umumnya berdampak pada daerah lintang tinggi

Galaksi Atau Ekstragalaksi 44

Komposisi Sinar Kosmik 45

 85% proton, 14% partikel  

 

alpha, 1% inti berat. Energi dalam MeV-GeV Dinyatakan dalam Linear Energy Transfer (LET) untuk gambaran efek radiasi Puncak sekitar 0,2 keV/μm: relativistic protons GCR: Galactic Cosmic Ray

matahari Luar matahari

Sinar Kosmik 46

 Partikel proton, elektron,

dan ion dengan energi sangat tinggi  Bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya  Berasal dari ledakan bintang, inti galaksi, galaksi aktif, dll  Jika memasuki atmosfer bumi maka terjadi hujan sinar kosmik atau “cosmicray air-shower”

Hujan Sinar Kosmik 47

Sinar Kosmik Dan Siklus Matahari 48

 Dosis radiasi sinar kosmik 0,3 Sv/tahun (solar

max.) - 1 Sv/tahun (solar min.)  Kuat radiasi bervariasi bergantung siklus matahari  Radiasi sinar kosmik terkuat saat siklus matahari minimum  Antikorelasi

 Peran radiasi ion energi tinggi belum banyak

diketahui

Sinar Kosmik Dan Siklus Matahari 49

Sinar Kosmik Saat Siklus Minimum 50

Spektrum GCR 51

Space Radiation Hazards and the Vision for Space Exploration

Pelindung Bumi Dari Radiasi Sinar Kosmis 52

1. Heliosfer 2. Medan Magnet Bumi (magnetosfer) 3. Atmosfer Bumi

Heliosfer 53

Sinar Kosmik Memicu Pembentukan Awan 54

(Shaviv 2005)

Sinar kosmik dapat memicu pembentukan awan melalui proses ionisasi sampai lapisan troposfer

Dampak Sinar Kosmik 55

 Sangat berbahaya untuk

perjalanan antariksa tanpa proteksi yang memadai  Merusak DNA dan menyebabkan kanker  Detil efek sinar kosmik terhadap manusia masih dalam tahap riset (cosmicray intensity vs. radiation dosage, respons DNA untuk perbaikan diri, dll.)

Efek Genetik ??? Belum ada data yang valid (!) 56

-rays

Heavy ions

Bumi 57

Penemuan 58

 Sebelum era ruang angkasa, kemungkinan keberadaan partikel

bermuatan yang terperangkap dalam medan magnetik bumi telah diteliti oleh Kristian Birkeland, Carl Stormer, dan Nicholas Christofilos.  Pada awal 1958, Explorer 1 (kemudian juga oleh Explorer 3) mendeteksi & mengkonfirmasi keberadaan sabuk radiasi yang kelak dinamakan sabuk radiasi Van Allen. Nama tersebut diambil sebagai penghormatan pada Dr. James Van Allen dari University of Iowa yang memimpin misi tersebut.  Atmosfer Bumi membatasi wilayah sabuk radiasi diatas 2001.000 km, dan merentang sampai sekitar 7 radius Bumi. Sabuk radiasi terbatas pada area yang merentang sekitar 65° dari ekuator langit.

Penemuan 59

 Radiasi yang terperangkap tersebut pertama kali

dipetakan oleh Explorer 4, Pioneer 3 dan Luna 1.  Istilah sabuk Van Allen merujuk secara khusus pada sabuk radiasi yang menyelubungi Bumi; meskipun sabuk radiasi yang serupa ditemukan juga menyelubungi planet-planet lain.  Keadaan Matahari tidak mendukung sabuk radiasi jangka-panjang, karena ketidakberadaan medan magnet dipol yang bersifat global dan stabil.

Magnetosfer 60

 Partikel elektron (7 MeV) dan proton (100

MeV) dan sedikit ion-ion berat yang terjebak dalam medan magnetik bumi  sabuk radiasi van Allen  Harus dipertimbangkan untuk wahana yang keluar masuk magnetosfer, misalkan program Apollo  Peta dinamika radiasi sabuk van Allen penting diketahui untuk estimasi dosis kuat radiasi bagi keselamatan astronot

Perisai Magnetosfer 61

Perisai Magnetosfer 62

Radiasi Dari Sabuk van Allen 63

Merupakan partikel energi tinggi yang terjebak dalam medan magnetik bumi GEOSYNCHRONOUS ORBIT

HALF-GEOSYNCHRONOUS ORBIT (NAVSTAR GPS)

OUTER VAN ALLEN BELT

INNER VAN ALLEN BELT

Sabuk Radiasi van Allen 64

Sabuk Elektron: Outer Belt 65

 Merentang dari 3 Re sampai

ketinggian GEO, bahkan lebih pada saat aktif (7-9 Re)

 Berisi elektron dengan energi

~200 keV – 15 MeV (sebagian besar dibawah 10 MeV)  Sumber utama: angin matahari

dan ionosfer  Bervariasi mulai dari menit-hari

(badai magnetik, angin matahari kecepatan tinggi) dan hari-tahun (rotasi matahari, musim, dan siklus matahari)

Sabuk Proton: Inner Belt 66

 Sumber utama: By-product

dari sinar kosmis yang memasuki magnetosfer Bumi  Cosmic Ray Albedo Neutron Decay (CRAND)  Populasi proton relatif stabil, tapi berpotensi sesekali mendapat gangguan dari badai geomagnetik, dan bervariasi sesuai dengan siklus 11-tahun matahari

South Atlantic Anomaly (SAA) 67

 Akibat distorsi medan magnetik bumi, maka

sabuk proton bergerak di ketinggian rendah (sampai 25o km) di daerah Amerika Selatan  Satelit LEO (Low Earth Orbiting) akan terganggu. Satelit biasanya “dimatikan” saat melewati SAA

South Atlantic Anomaly (SAA) 68

Geographical map of count rate at SAA (STS-84) 69

Geographical map of count rate at SAA (STS-84) 70

3.3.3. Dampak 71

Perjalanan & Bekerja Di Antariksa 72

Human Exploration Missions 73

Near term focus development of Crew Exploration Vehicle replacing Space Shuttle for missions to the ISS and onto moon

Bekerja Di Antariksa 74

Mars Scenarios 75

Model prediction of Dose Equivalent from exposure to GCRs, calculated for solar maximum conditions. Note the strong dependence of radiation exposure on the Martian topography. (Cucinotta et al. 2004)

Problema Perjalanan Antariksa 76

 Keluar dari perisai alami atmosfer dan medan magnetik 

Radiasi elektromagnetik (EM), partikel energi tinggi, sinar kosmik; bahaya paparan radiasi terhadap manusia dan peralatan

 Pancaran partikel, gelombang EM, dll. belum dapat

diprediksi  Gravitasi sangat kecil (mikro) Perlindungan potensi bahaya di atas mengakibatkan tambahan beban, baik perlindungan pesawat atau baju antariksa

Dampak Fisiologi Perjalanan Antariksa 77

Gangguan kesehatan

Sirkulasi darah

Otot

Tulang

Perjalanan antariksa

Radiasi Antariksa Stres, kelelahan

Pemulihan

Dampak perjalanan antariksa jangka panjang belum diketahui

Resiko Perjalanan Antariksa 78

1. Radiasi angkasa luar (Space Radiation) 2. Faktor manusia (Human Factors) 3. Microgravity

Resiko Perjalanan Antariksa 79

1. Space Radiation Harmful Radiation Effects  Cancer  Tissue degenerative effects (CNS, cardiovascular diseases, cataracts,…..)  Acute radiation sickness  Hereditary effects

Resiko Perjalanan Antariksa 80

2. Human Factors Behavioral Problems  Disorientation  Sleep problems  Psychosocial problems

Concordia Mars-500

Acute Medical Problems  Toxicity  Ambulatory health problems

Resiko Perjalanan Antariksa 81

3. Microgravity Physiological Changes  Cardiac arrhythmia  Osteoporosis  Fluid redistribution (puffy face, shrinked legs….)  Loss of blood plasma, anemia  Muscle loss  Kidney stones

Keselamatan Perjalanan Antariksa 1. Proteksi radiasi antariksa 2. Problem psikososial dan perilaku 3. Dampak fisiologi akibat mikro gravitasi

THE ROUGH GUIDE to

The Moon & Mars

Prosedur Keselamatan ? 82

Dampak Biologis 83

Bahaya Radiasi Antariksa Space Radiation Environment

Mitigation: - Shielding materials

- Radioprotectants

Radiation Shielding Initial Cellular and Tissue Damage DNA breaks, tissue microlesions

Risk Assessment: -Dosimetry -Biomarkers -Uncertainties -Space Validation

DNA repair, Recombination, Cell cycle checkpoint, Apoptosis, Mutation, Persistent oxidative damage, & Genomic Instability

-Pharmaceuticals

Tissue and Immune Responses Risks: Risks:Cataracts, Chronic: Cancer,

Acute Radiation Central NervousSyndromes System, Cancer Heart Disease Cataracts Acute: Lethality, Sickness, Neurological Disorders Performance 84

Riskj (age,sex,mission)

Kuantitas Radiasi Dan Satuan 85

 Partikel energi tinggi dengan z>2, (HZE particles), misalkan ion

carbon, nitrogen, oxygen dan besi dalam GCR (galactic cosmic ray), lebih efektif memberi dampak biologis daripada proton energi tinggi  Absorbed dose is the energy actually deposited in a certain mass of tissue. It does not take into account either the differing biological effects of the different radiation types or the differing responses of different tissue types.  The international unit (SI) is the gray (Gy), which is equivalent to the absorption of 1 Joule of energy per kilogram of mass. An older unit is the rad. One Gy equals 100 rad.

Kuantitas Radiasi Dan Satuan 86

 Equivalent dose accounts for the different

effects the various types of radiation have on biological tissue. It is calculated by multiplying the absorbed dose by a radiation-specific weighting factor (wR) or quality factor determined by the International Commission on Radiological Protection (ICRP). The SI unit of equivalent dose is the sievert (Sv); the older unit is the rem. One Sv equals 100 rem.

Kuantitas Radiasi Dan Satuan 87

 Effective dose accounts for the varying

sensitivity to radiation of different tissue types (skin, bone, brain, etc). It is a composite whole body dose calculated by multiplying each tissue type by an ICRP tissue weighting factor (wT) and summing the weighted equivalent doses. This composite dose is proportional to the increased risk from cancer and genetic effects. The SI unit of effective dose is Sv.

Dosis Radiasi 88

Untuk akut (diterima dalam waktu relatif singkat, sampai sekitar satu jam) full body equivalent dose:  1 Sv menyebabkan mual-mual  2-5 Sv menyebabkan kerontokan rambut, pendarahan, dan akan menyebabkan kematian pada kebanyakan kasus  Lebih dari 3 Sv akan berujung pada LD 50/30 (lethal dose, kematian 50% dalam waktu 30 hari)  Diatas 6 Sv kemungkinan sangat kecil bisa selamat.

Kuat Radiasi (mSv) 89

Bom Atom (mean dose)

200

Wahana antariksa - per tahun

170

Pekerja reaktor - per tahun (max)

20

Radiasi alami - per tahun Limit radiasi (EU) - per tahun Foto sinar-X

2–4 1 0.05 mean Effective Dose (whole-body) 1 Sv = 1 J/kg 10 mSv = 1 rem

Radiasi yang diterima astronot per hari ~ 10 kali foto Rontgen

Bahaya Radiasi utama

100000

CNS syndrome Skin desquamation GI syndrome

10000 Fibrosis Haematopoietic syndrome

SEP: sporadic, high

dose. Shielding generally effective. Acute (deterministic) effects GCR: chronic, low dose. Shielding poorly effective. Late (stochastic) effects

1000

100

10  SEP: solar energetic particle

Vomiting Nausea Lymphopenia Azoospermia Annual dose in Kerala (India) Annual dose limit for radiation workers CT abdomen/pelvis Annual dose on Earth

 GCR: galactic cosmic ray

1

0.1

90

Daily dose in LEO Pelvis X-ray film Annual cosmic rays at sea level Chest X-ray film

Bahaya Radiasi Bagi Manusia 91

 Berpengaruh pada jaringan

sistem saraf, jantung, mata, pencernaan, dll.  Menyebabkan kemandulan, katarak dan kanker  Perjalanan antariksa menerima radiasi lebih banyak, tapi perlu waktu beberapa tahun untuk tumbuhnya tumor

Bahaya Radiasi 92

 Kasus kanker kulit yang dipicu

radiasi pertama kali dilaporkan tahun 1902  Kasus leukemia yang dipicu radiasi

pertama kali terdengar tahun 1911  1920-an: kanker tulang diantara

radium dial painters  1930-an: kanker hati dan leukemia

disebabkan pemakaian throtrast  1940-an: ekses leukemia diantara

radiologist generasi awal

Bahaya Radiasi 93

 The high atomic number-high energy particle component

(HZE particles) of galactic cosmic radiation was discovered in 1948.  Soon after discovery of the HZE particles, C. A. Tobias in 1952 predicted that a visual light flash sensation could be experienced by individuals exposed to these particles.  Brain injury studies were attempted by Yagoda and coworkers (1963) and by Haymakerband co-workers (1970) in balloon-borne mice and monkeys, respectively.

Bahaya Radiasi 94

 Tidak ada laporan gangguan radiasi dalam

misi Apollo  Astronauts mengalami kilatan cahaya semu, seperti diprediksi C. A. Tobias (1952)  Disebabkan

oleh partikel energi tinggi (atau sinar kosmik, z>2) yang masuk retina

A human can be killed by exposure to less than 500 rad radiation. However, Deinococcus radiodurans is a bacterium, which can survive exposure to up to 3.000.000 rad of ionizing radiation.

Katarak 95

 Sampel 295 astronauts, berpotensi menderita

katarak saat menerima radiasi lebih dari 8 mSv, setelah 4-10 tahun setelah misi  Disebabkan oleh partikel energi tinggi dan sinar kosmik Cucinotta et al., Radiat. Res. 156, 460–466 (2001)

Kerusakan DNA 96

Perjalanan antariksa jangka panjang, misalkan misi ke Mars selama 3 tahun, dapat menyebabkan kerusakan DNA dan akibat lain yang belum diketahui

Reaksi Biokimia Akibat Radiasi 97

DNA is primary target for cell damage from ionizing radiation

Types of radiation induced lesions in DNA 98

Base damage

Single-strand breaks

Double strand breaks

Direct Action 99

Ionizing radiation + RH  R- + H+





Bond breaks OH I R – C = NH imidol (enol)

O II R – C = NH2 amide (ketol) Tautomeric Shifts

Indirect Action 100

H

X ray  ray

eP+

O H

OHH+ Ho

OHo

Kerusakan Kromosom 101

Dampak Terhadap Instrumentasi 102

Ionisasi 103

 Mekanisme:  Pembangkitan

muatan baru dan terjebak dalam lapisan elektronik

 Sebab:  elektron,

proton.

 Dampak:  Noise

yang tinggi akibat muatan listrik yang tinggi, berakibat gagal fungsi alat

Kerusakan Material 104

 Mekanisme:  Gangguan

susunan atom material elektronik

 Sebab:  Proton

 Dampak:  Mengurangi

efisiensi, misal CCD, LED

Tabrakan Partikel Tunggal (Single Event) 105

 Mekanisme:  Tabrakan

partikel energi sangat tinggi menghasilkan ionisasi yang terlokalisasi

 Sebab:  Sinar

kosmik, partikel (proton) energi tinggi

 Dampak:  Lonjakan

arus transien, dapat menyebabkan kerusakan permanen

3.3.4. Solusi 106

Estimasi Kadar Radiasi Dan Shielding 107

 Prediksi variasi temporal dan spasial partikel energi tinggi dan

sinar kosmis (spektrum, komposisi, propagasi, formasi,dll.)  Peta variasi temporal spasial partikel energi tinggi di magnetosfer  Kadar radiasi  Penyebab kanker/karsinogen  Dampak terhadap sistem saraf  Dampak terhadap katarak, kemandulan, dll.  Mengembangkan obat  Shielding: pesawat dan baju antariksa

Shielding from Huge Solar Particle Events 108

Based on Wilson (1997), Townsend (2003), Kim et al. (2005), and Turner (2006)

This as an enormous solar superstorm that occurred in 1859

Strategi Dan Siklus Matahari 109

 Siklus Matahari Maximum lebih baik aman  Sinar

kosmik berkurang  Partikel energi tinggi bertambah, tapi astronot masih dapat dilindungi  Siklus Matahari Minimum lebih beresiko  Intensitas

sinar kosmik tinggi  Aktivitas matahari dapat secara tiba-tiba meningkat

Status Saat Ini 110

Sains dan teknologi sekarang tentang bahaya radiasi antariksa masih belum memadai untuk misi-misi perjalanan dan bekerja di antariksa di mana manusia dapat bertahan dalam waktu yang lama

Universe is for everyone’s dream and great work

111