Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Во второй год выполнения проекта были получены три основных результата: (I) Построена численная модель нейтронного излучения Луны для различного состава вещества поверхности под воздействием СПС с максимальной интенсивностью. Для оценки падающего на Луну потока энергичных частиц рассматривалось историческое СПС Кэррингтона, использовалась оценка спектра протонов в максимуме и спектра флюенса данного события. Для сравнения с нейтронным излучением Луны в условиях спокойного Солнца были проведены расчеты лунного нейтронного альбедо под воздействием ГКЛ. Использовались данные о спектральной плотности потоков частиц ГКЛ в окрестности земной орбиты в периоды максимума и минимума цикла солнечной активности. Полученные в результате моделирования спектры нейтронов соответствуют полярному грунту с 0.1% и 5% воды в грунте. Расчёты показали, что полный поток нейтронов под воздействием ГКЛ изменяется примерно в 2 раза от минимальных значений 3.9 – 2.2 см-2 сек-1 в максимуме солнечного цикла до максимальных значений 7.1 – 4.2 см-2 сек-1 в минимуме. При этом в максимуме СПС Кэррингтона нейтронный поток на лунной поверхности должен был возрасти примерно в 1000 раз относительно его минимального значения под воздействием ГКЛ. Этот поток составил (3.3 – 2.8) 1е3 см-2 сек-1. Результат исследования будет опубликован в статье «Нейтронное излучение Луны во время исторического Солнечного Протонного События Кэррингтона 1 сентября 1859 г.». (II) Было проведено численное моделирование нейтронного излучения Марса под воздействием потока энергичных частиц от СПС. Среди всех событий СПС, измеренных совместно приборами ХЕНД на борту марсианского спутника НАСА Марс Одиссей и ДАН на борту марсохода НАСА Кьюриосити, было выбрано для анализа интенсивное событие СПС, зарегистрированное на Марсе 20 мая 2024 г. Для проведения численного моделирования марсианского нейтронного излучения под воздействием СПС 20.05.2024 необходимы данные о энергетическом спектре потока солнечных протонов на Марсе. Такие данные с космических аппаратов в окрестности Марса были не доступны. Поскольку выброс заряженных частиц СПС произошел в сторону Марса, а Земля находилась в другом районе Солнечной системы (угол Земля-Солнце-Марс составлял около 100 градусов), то околоземные патрульные аппараты данное событие не зарегистрировали. Было предложено подобрать в данных измерений прибора ХЕНД похожее СПС, для которого нейтронный сигнал детекторах LD и MD имеет такую же величину, как и в случае СПС 20.05.2024, но при этом такое событие произошло в условиях, когда угол Земля-Солнце-Марс был мал и параметры потока протонов были зарегистрированы аппаратурой спутников ГОЕС. Было предложено провести численное моделирование марсианского нейтронного альбедо для СПС 20.05.24 с использованием данных измерений солнечных протонов для СПС 28.10.03 со свободным параметром, определяющим величину потока солнечных протонов для СПС 20.05.24. Вторая задача численного моделирования была связана с определением спектральной плотности нейтронного потока на поверхности Марса во время СПС 20.05.24. Для моделирования были взяты спектральное распределение и величина потока протонов СПС над атмосферой планеты, определенные выше по орбитальным измерениям ХЕНД. Независимо выбирались свойства грунта для участка поверхности в кратере Гейл, на котором находился марсоход во время СПС 20 мая 2024 г. Предполагалось, что состав основных породообразующих элементов соответствует усредненным данным измерений эксперимента APXS вдоль трассы марсохода, а неизвестными параметрами грунта являются содержание подповерхностной воды и хлора – известно, что именно эти параметры определяют в первую очередь потоки тепловых и эпитепловых нейтронов. Наилучшее согласие модельных предсказаний и экспериментальных данных было получено для пары вода и хлор с массовыми долями 7.8% и 4%, соответственно. Из полученных данных следует, что НКРД на поверхности Марса в условиях спокойного Солнца больше, чем на орбите с высотой 400 км примерно в 4 раза. Это происходит из-за того, что марсианская атмосфера эффективно отражает нейтроны и существенно увеличивает нейтронный поток вблизи марсианской поверхности. В максимуме СПС 20.05.24 мощность НКРД от СПС на поверхности в кратере Гейл составила около 86 мкЗв/ час. Она возросла примерно в 40 раз по сравнению с НКРД 2.3 мкЗв/ час на этом же участке поверхности под воздействием ГКЛ. На высоте 400 км вдоль участка орбиты, по которому пролетал КА Марс Одиссей во время СПС НКРД составила около 35 мкЗв/час. Результат исследования будет опубликован в статье «The Solar Particle Event at Mars on 2024 May 20: neutron component of the radiation environment”. (III) Были построены инженерно-физических модели НКРД для марсианской поверхности под воздействием ГКЛ с переменной интенсивностью в зависимости от фазы солнечного цикла. Используя численные расчеты было показано как распределение подповерхностной воды и марсианская атмосфера влияют на величину нейтронной дозы на поверхности Марса. Результат представлен в виде глобальной карты мощности эффективной нейтронной дозы для умеренного широтного пояса Марса в пределах 50 ю.ш. – 50 с.ш., который считается предпочтительным районом для выбора мест посадки будущих пилотируемых экспедиций. Обнаружено, что в начале и конце 11-летнего солнечного цикла, когда поток ГКЛ и нейтронное альбедо Марса приближаются к своему максимуму, средние значения нейтронной дозы на полученной карте изменяются в пределах от 85 до 145 мкЗв/день. В середине солнечного цикла, когда поток ГКЛ и марсианское нейтронное альбедо приближаются к своим минимальным значениям, этот диапазон может сократиться до ~40-70 мкЗв/день. Сезонные изменения марсианской атмосферы также влияют на мощность нейтронной дозы, но этот эффект не столь велик и может быть охарактеризован как изменение мощности нейтронной дозы на 4-6% в течение марсианского года. Научное сообщество уже выработало список областей на Марсе, который можно рассматривать как первое целеуказание для выбора мест посадок будущих пилотируемых миссий. Для каждой области из списка мы в нашем исследовании оценили нейтронную дозу. Обнаружено, что более высокое содержание подповерхностной воды приводит к снижению мощности нейтронной дозы на ~25%. С другой стороны, большая толщина атмосферы в низменностях или долинах наоборот приводит к увеличению мощности дозы на ~15%. Это означает, что нейтронная составляющая радиационного фона на поверхности Марса наиболее безопасна в высокогорьях с повышенной концентрацией подповерхностной воды, и более опасна в сухих низменностях или долинах. В будущем эту рекомендацию следует объединить с оценкой дозы облучения от заряженных частиц, чтобы надлежащим образом сформулировать радиационный критерий для выбора места посадки. Полученные результаты представлены в статье” Neutron Radiation Dosimetry on Mars”.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В третий год выполнения проекта были получены три основных результата, связанные с оценками нейтронной компоненты радиационной дозы (НКРД) на поверхности Луны и Марса. Эти результаты были получены на основе анализа данных приборов ЛЕНД и LOLA космического проекта LRO и прибора ФРЕНД космического проекта ЭкзоМарс/TGO с применением численного моделирования ядерно-физических процессов в веществе Луны и Марса под воздействием ГКЛ и космических лучей от СПС. Для моделирования был разработан специальный код с использованием Geant4. Он позволил предсказать спектральную плотность потока нейтронов под воздействием ГКЛ на различных глубинах под поверхностью Луны и Марса, на поверхности и в ближнем окололунном пространстве. Проведенные расчеты дополнили ранее полученные результаты в части учета таких важных факторов, как массовая доля воды в реголите, рельеф поверхности и заглубление под поверхность. Во-первых, были получены полярные карты НКРД под воздействием ГКЛ в зависимости от содержания подповерхностного водяного льда в лунном реголите. Чтобы оценить максимальный радиационный риск в заданной области для самых неблагоприятных условий, данные карты были построены для фазы минимальной солнечной активности (максимальный поток ГКЛ). Также был изучен фактор изменения мощности нейтронной дозы при переходе между различными фазами цикла солнечной активности. Показано, что мощность НКРД от ГКЛ на поверхности в полярных районах составляет около 60 мкЗв/год в условиях минимума солнечного цикла. При этом НКРД демонстрирует слабую пространственную переменность на уровне около 3%. Это обусловлено слабым изменением концентрации водяного льда в грунте, от 0% до 0.54% по массе, предполагая его однородное распределение с глубиной под поверхностью. При этом минимальные значения мощности нейтронной дозы около 57 мЗв/год на поверхности Луны наблюдаются в окрестности локальных водосодержащих областей. Установлено, что НКРД быстро возрастает и достигает максимума на глубине около 45 см для содержания воды в грунте в диапазоне от 0% до 0.5%, который соответствует концентрации водяного льда в приполярных областях по данным прибора ЛЕНД. Коэффициент возрастания на глубине составляет около 3. На глубине 45 см пространственная переменность нейтронного фона вследствие изменения массовой доли воды составляет около 6%. Минимальные и максимальные оценки мощности нейтронной дозы на указанной глубине 45 см составляют 194.0 и 182.9 мЗв/год для массовой доли воды 0% и 0.5%, соответственно. Далее нейтронная доза начинает уменьшаться и на глубине ~ 2 м сравнивается со значениями дозы, наблюдаемой на поверхности. После этого величина дозы продолжает падать и уменьшается в 10 раз от значения дозы на поверхности на глубинах порядка 4 м. Установлено, что с возрастанием солнечной активности происходит уменьшение мощности НКРД и смещение по глубине максимума величины дозы от примерно 45 см для низкого уровня солнечной активности до примерно 55 см для высокого уровня солнечной активности. При этом величина мощности НКРД на лунной поверхности для минимального потока ГКЛ падает более чем в два раза до 26.3 мЗв/год (сухой грунт) и до 25.4 мЗв/год (массовая доля воды 0.5%). На глубине доза уменьшается до 95.5 мЗв/год и 89.8 мЗв/год при массовой доле воды 0% и 0.5% соответственно. Результаты представлены в статье Митрофанов и др. 2026а (принята к публикации в журнале Космические исследования). Во-вторых, получены оценки пространственных вариации НКРД в полярных областях Луны в зависимости от угла падения протонов на лунную поверхность для экстремально сильного СПС в 12350 г. до н. э., с учетом ориентации склона и величины уклона поверхности по данным лазерного альтиметра LOLA, а также, содержания водяного льда по данным прибора ЛЕНД. Величина НКРД за все время СПС представлена в виде карт северной и южной полярных областей Луны. На этих картах хорошо видны два типа переменности: (1) доза в среднем уменьшается с приближением к полюсу; (2) доза меньше на склонах, ориентированных в направлении полюса, и больше на склонах, ориентированных в сторону экватора. Показано, что амплитуда переменности дозы в полярных областях без учета постоянно затененных районов составляет около 4 раз. Установлено, что на фоне указанных двух типов переменности НКРД практически не заметен вклад, вызванный изменением концентрации водяного льда в грунте. Эта переменность на поверхности составляет всего около 2.5%. На картах видны районы, в которых произведенная протонами СПС НКРД близка к нулю. Такие районы являются постоянно затененными, в них никогда не попадает прямое солнечное излучение. Установлено, то поток вторичных нейтронов во время СПС растет с глубиной. Однако важным отличием радиационного эффекта СПС от эффекта ГКЛ является тот факт, что менее энергичные протоны СПС проникают на гораздо меньшую глубину, и при этом их проникновение существенно зависит от угла падения. При условии нормального падения протонов СПС максимум НКРД достигается на глубине всего около 10 см. При угле падения 55 - 60° глубина максимума НКРД уменьшается до 4 - 5 см, что в 10 раз меньше, чем в случае ГКЛ. Это означает, что в случае даже наиболее интенсивных СПС наибольшую опасность для космонавтов представляет пребывание на открытой поверхности. Если космонавт будет находиться в убежище, защищающим его от вызванного ГКЛ излучения, то он по определению будет защищен и от спорадических протонных событий на Солнце. Результаты представлены в статье Митрофанов и др. 2026а. В-третьих, были получены оценки мощности НКРД в окрестности долин Маринера на Марсе для различных условий наблюдений, учитывающих предельные величины толщины атмосферы вследствие сезонных изменений в течении марсианского года и предельные величины потока ГКЛ в минимуме и максимуме солнечной активности. Значения НКРД были рассчитаны для каждого пикселя карты выбранной области поверхности с учетом определенного для него значения массовой доли воды. Была построена карта значений НКРД, которая отражает переменность нейтронной дозы с пространственным масштабом ⁓140 км. Установлено, что согласно полученным оценкам, наиболее опасные районы с максимально высокими значениями НКРД расположены на дне каньона Мелас, где марсианская атмосфера наиболее мощная. Получены общие характеристики амплитуды переменности мощности НКРД в окрестности долин Маринер: минимальная величина 41 мкЗв/сут имеет место в высокогорном районе вблизи каньона с высоким содержанием воды в условиях максимума солнечного цикла и в марсианский сезон с минимальной толщиной атмосферы, а максимальная доза 136 мкЗв/сут должна наблюдаться на дне каньона Мелас во время минимума солнечной активности в сезон с максимальной толщиной атмосферы. Отношение этих двух величин дает фактор максимальной переменности нейтронной дозы в рассматриваемой области составляет около 3.3 раз. Результаты представлены в статье Митрофанов и др. 2026b (принята к публикации в журнале Космические исследования).