Cuando la Tierra ya no nos protege

La Tierra, como el resto de los cuerpos del Sistema Solar, está sometida a un continuo bombardeo de partículas y radiación electromagnética de muy alta energía (radiación ionizante).

Ésta proviene fundamentalmente del espacio exterior y en mucha menor medida de nuestra propia estrella, el Sol. Afortunadamente la mayor parte de esa radiación es detenida por el campo magnético y la atmósfera terrestres.

En 1912, Hess observó que la tasa de dosis ambiental aumentaba con la altitud y, en 1925, Millikan atribuyó el nombre de “radiación cósmica” y “rayos cósmicos” a ese campo de radiación.

En los años 60, ya empezó a haber preocupación por las consecuencias de esas altas tasas de dosis absorbida para las tripulaciones de los aviones que vuelan a elevadas altitudes.

De hecho, esto motivó que en los informes 60, 75 y 103 de la Comisión Internacional de Medidas y Unidades de Radiación (ICRU) recomendasen la clasificación de esa exposición de las tripulaciones de los aviones como exposición ocupacional, es decir, como exposición a radiaciones de los trabajadores ocurrida como resultado de su trabajo. Quedan excluidas de forma explícita, entre otras, las exposiciones médicas (como paciente) y las debidas al fondo local de origen natural.

La radiación cósmica.

El campo de radiación al que está sometido un avión, a las altitudes normales de vuelo, es de una gran complejidad, con presencia de muchos tipos de radiación ionizante que alcanzan energías de hasta 10²⁰ eV.

Está constituido fundamentalmente por partículas que provienen del exterior del Sistema Solar que constituyen la “radiación cósmica galáctica” (conocida por sus siglas en inglés GCR).

La proporción de partículas aproximada de la GCR es de un 98% núcleos atómicos y un 2% de electrones. Para latitudes cercanas a los polos, de estos núcleos, el 90% son protones (núcleos de Hidrógeno), el 9% partículas alfa (núcleos de Helio) y el 1% núcleos más pesados.

Esta radiación se mantiene bastante estable en el tiempo, aunque aparece modulada por interacciones con el campo magnético inducido por el viento solar. Las variaciones en la actividad del Sol (cíclicas con un periodo de 11 años) hacen que la intensidad de la GCR en la parte superior de la atmósfera terrestre varíe de forma inversa a esta actividad solar. Es decir, en los periodos de mayor actividad solar, la GCR que llega a la Tierra es menor.

Fig. 1: Recreación artística de la influencia del viento solar en el campo magnético terrestre. Cortesía de la NASA (http://srag-nt.jsc.nasa.gov/SpaceRadiation/What/What.cfm)

A la GCR hay que añadir, aunque con mucha menor contribución a la dosis, la del propio viento solar.

Además, la tierra está expuesta esporádicamente a eyecciones de masa de la corona solar en las que se emiten una gran cantidad de partículas. Éstas no suponen una contribución importante a las dosis anuales recibidas por las tripulaciones de los aviones, pero pueden suponer un aumento importante de la tasa de dosis durante periodos de tiempo cortos.

La GCR primaria interacciona con los constituyentes de la atmósfera y con los materiales del avión, los propios pasajeros y tripulación, produciendo multitud de partículas secundarias que son las que más contribuyen a la dosis total recibida. Esta tasa de dosis aumenta inicialmente y después disminuye a medida que aumenta el espesor de atmósfera, desde unos 20 km hasta el nivel del mar.

De forma aproximada, a altitudes de vuelo habituales y latitudes moderadas, la contribución total a la dosis equivalente ambiental es debida en un 50% a neutrones, un 15% a protones, un 20% a electrones y positrones y un 5% a muones.

Debido a que la mayor parte de las partículas de la radiación cósmica tienen carga eléctrica, sus trayectorias se curvan a medida que atraviesan un campo magnético. En particular el terrestre actúa como un blindaje parcial contra estas partículas cargadas. El parámetro que determina el efecto del campo magnético en la trayectoria de las partículas se denomina rigidez magnética. Las partículas cuya rigidez magnética es inferior a un determinado valor, denominado rigidez de corte geomagnética, no serán capaces de penetrar el campo magnético terrestre.

Cerca del Ecuador, donde el campo geomagnético es casi paralelo al suelo, el efecto de blindaje es mucho mayor que en los polos.

En la siguiente figura, se muestra un ejemplo de distribución de la de rigidez de corte geomagnética en las diferentes zonas del planeta (Cortesía de: GeoMag-96 model, http://www.geomagsphere.org)

Fig.2: Plot of effective vertical cut-off rigidities at 20. march 2004 12:00 UTC.

Medidas de dosis

Las medidas experimentales de dosis equivalente ambiental en el interior de un avión, a alturas de crucero, son muy complicadas de determinar. Baste decir que se necesitan instrumentos de medida del tipo de los utilizados en los laboratorios de aceleradores de partículas de alta energía. En las mismas hay que tener en cuenta una infinidad de parámetros que condicionan la respuesta de los detectores, de forma que para la medida final de la dosis equivalente hay que recurrir a sofisticados algoritmos de análisis e incluso a simulaciones Monte Carlo.

No obstante, a pesar de esta complejidad en su medida experimental, las dosis debidas a la radiación cósmica en los aviones son bastante predecibles y no alcanzan valores del orden de las exposiciones no planificadas, que se dan en otras actividades laborales con radiación ionizante. Esto hace que no se requiera el uso de dosímetros individuales por sus tripulaciones y en general lo que se realizan son estimaciones anuales de dosis.

Para poder aplicar los criterios de protección radiológica que garanticen que estas personas no superen los límites de dosis establecidos para este tipo de personal, es necesario disponer de medidas experimentales precisas y trazables, que permitan validar los cálculos de la magnitud de referencia en protección radiológica: la dosis efectiva.

Informe conjunto ICRU-ICRP

Una buena respuesta a esta necesidad la proporciona el informe conjunto publicado en el año 2010 por la ICRU y la comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP): “Reference data for the validation of doses from cosmic-radiation exposure of aircraft crew”.

En éste se realiza una recopilación de medidas experimentales (acumuladas durante los 20 años anteriores a su publicación) obtenidas mediante técnicas muy diferentes y con un amplio rango de procedimientos de calibración, manteniendo todas ellas la trazabilidad con Institutos Nacionales de Metrología y una incertidumbre dentro del umbral propuesto por la propia ICRU para la estimación de la dosis efectiva de los trabajadores.

Basándose fundamentalmente en una serie de complejos estudios previos publicados por la Comisión Europea en los que se midieron las tasas de dosis equivalente ambiental, se proporcionan valores de referencia para esta magnitud en tres fases diferentes del ciclo solar, para tres altitudes de vuelo estándar, 31000, 35000 y 39000 pies (9.4, 10.7, 11.9 km respectivamente) y para latitudes desde el ecuador hasta los polos, en función de la rigidez de corte geomagnética.

También se proporciona una tabla para convertir esas dosis equivalentes ambientales en dosis efectivas (que son las que se usarán a efectos de protección radiológica).

Medidas de protección radiológica

Una vez determinada la dosis efectiva para una cada una de las rutas de vuelo, las únicas medidas de protección radiológica, para limitar la dosis recibida por las tripulaciones, pasan por controlar el tiempo de vuelo y la selección de rutas. En general las regulaciones, nacionales e internacionales, requieren que:

Se informe a las tripulaciones de los riesgos para la salud que implica su trabajo.
En el caso de mujeres embarazadas, una vez que el embarazo ha sido declarado, la protección al feto se asimila a la de los miembros del público. Se deben programar las exposiciones ocupacionales futuras para asegurar una dosis al feto tan baja como sea razonablemente posible, de forma que no se supere el límite de 1 mSv durante el resto del embarazo.
Se deben evaluar las dosis de las tripulaciones cuando éstas puedan superar 1 mSv/año.
Las agendas de trabajo deben programarse para reducir las dosis individuales. En algunos países se requiere una evaluación para dosis superiores a 1 mSv mientras que en otros el límite se establece en 6 mSv. En algunos países a su vez, las dosis personales se deben comunicar anualmente a los registros nacionales.
En la práctica, las dosis anuales raramente superan los 5 ó 6 mSv.

Conclusión

Con este admirable trabajo (por su complejidad y rigor), la ICRP y la ICRU ponen al servicio de las líneas aéreas y sus reguladores una herramienta valiosísima para la armonización de valores de referencia que puedan ser usados para la validación de los cálculos de la dosis efectiva acumulada por las tripulaciones de los aviones.

Una vez más, el planeta Tierra hace el milagro de proporcionarnos las condiciones adecuadas para que sea posible la vida (como la conocemos) en un ambiente “galáctico” tan hostil.

En este desayuno de hoy tomamos un primer contacto con las condiciones que los humanos tenemos que soportar en cuanto sacamos un poquito los pies de sus capas protectoras. Pero, ¿qué ocurre si nos alejamos aún más de su seno?. Eso…, lo dejamos para otro día.

(Nota:

De forma breve, se definen a continuación las tres magnitudes de medida de la radiación a las que se hace mención:

– Dosis absorbida (D): magnitud física que mide la cantidad de energía que la radiación deposita por unidad de masa, en un punto de un medio material. Su unidad es el gray (Gy).

– Dosis equivalente en un órgano o tejido T (HT): Suma ponderada por tipo de radiación de las dosis absorbidas promedio en ese órgano o tejido T. Se mide en sievert (Sv). Tiene en cuenta la forma en que cada tipo de radiación deposita su energía (eficacia biológica relativa). Por ejemplo, para fotones el factor de ponderación es 1 y para partículas alfa es 20: 1 Gy de dosis absorbida promedio en un órgano, debida a radiación de fotones, contribuirá a la dosis equivalente de ese órgano con 1 Sv, mientras que si se trata de partículas alfa lo hará con 20 Sv.

– Dosis efectiva (E): Suma ponderada por tejido de las dosis equivalentes en todos los tejidos y órganos especiﬁcados. Se mide en sievert (Sv). Como ejemplo, el factor de ponderación para la piel es 0.01 mientras que para las gónadas es 0.08.

Para una explicación más detallada: http://www.icrp.org/docs/P103_Spanish.pdf (páginas 19, 20 y 58))