Introducción

La exposición a radiaciones cósmicas, en diferentes escenarios, ha sido un tema de preocupación y análisis a nivel mundial. En el contexto de los viajes espaciales, por ejemplo, el interés es lograr la protección de los astronautas de los efectos que a largo plazo puedan derivarse de dicha exposición, teniendo en cuenta el escaso conocimiento que actualmente se tiene sobre los efectos de este tipo de radiación sobre su salud, en particular sobre células madre hematopoyéticas (HSC), así como el lento avance en la investigación del posible desarrollo de neoplasias hematopoyéticas en misiones espaciales profundas, relacionadas con la estabilidad genética en estas células(Patel, Welford, & Gerson, 2016).

La radiación cósmica es un tipo de radiación ionizante que consiste fundamentalmente en un bombardeo de protones o núcleos de hidrógeno de alta energía, procedentes del espacio exterior, que incluyen una cierta proporción de electrones y núcleos más pesados como el helio (Núñez, Lagos & Roglá, 2011). El origen de esta radiación es el espacio exterior, cuya principal fuente proviene de partículas de otras galaxias.

Para el caso de la aviación, y teniendo en cuenta que en el aire operan miles de vuelos simultáneamente, el estudio sobre este tipo de exposición no puede quedarse atrás. Según el portal www.flightradar24.com durante el mes de febrero de 2017 se registraron de 127.542 a 162.865 vuelos por día en el mundo, en todos ellos las tripulaciones estuvieron expuestas a diferentes peligros que involucraron tanto su seguridad, como su salud.  De allí la importancia de identificar la exposición a radiaciones cósmicas, las cuales se consideran importantes cuando se producen a partir de los 15.000 metros de altitud (INSHT, n.d.).

En Colombia, teniendo en cuenta que las radiaciones cósmicas están clasificadas como ionizantes y que la exposición de trabajadores a este tipo de radiación se considera de alto riesgo (Decreto 2090 de 2003 - Artículo 2), previa clasificación e identificación de peligro e impacto sobre la salud, se hace necesario medir y determinar la dosis de radiación a bordo de las aeronaves. 

Para establecer dicho nivel de exposición, que en caso de ser alto y afectar directamente al trabajador requerirá la implementación de un programa de protección radiológica, se pueden realizar mediciones directas en cabina (Vergara et al., 2004; Vergara y Roman, 2009; Meier et al., 2009) o cálculos con modelos matemáticos mediante software (FAA Civil Aeromedical Institute, 2004; Helmholtz Zentrum München Institut für Strahlenschutz, 2010; Institute de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, 2013; PCAire Inc, 2010).

De los diferentes reportes que han buscado estimar o medir las radiaciones ionizantes al interior de una aeronave, se destaca uno publicado en 1989, el cual realizó un estudio con 32 vuelos de 4 a 13 horas sin escalas en los Estados Unidos. Los equivalentes de dosis anuales recibidos en los vuelos oscilaron entre 0,2 y 9,1 mSv (20 a 910 mRem) (Friedberg, Faulkner, Snyder, Darden, & O’Brien, 1989). Otro estudio relevante, realizado en 2005 con  vuelos de Iberia, mostró que la dosis anual recibida por los tripulantes varió entre 0,5 y 3,0 mSv, considerando 600 horas de vuelo efectivo desde el despegue hasta el aterrizaje (Saez Vergara et al., 2005). Esta diferencia en los resultados puede asociarse a las variables de este como duración y ruta (altitud y latitud), donde los vuelos más largos, con más altura y a latitudes mayores tendrán una mayor dosis de exposición, esto se traduce en que la dosis anual promedio es inferior a 1 mSv para tripulantes de rutas nacionales (Paschoa & Steinhäusler, 2010).

Aunque en la normatividad colombiana no se establecen límites de dosis para la tripulación de los vuelos y en el mundo es aceptado no realizar vigilancia radiológica, si se demuestra de forma fehaciente que la práctica no conlleva exposiciones superiores a 1 mSv al año, es decir que no supera los límites del público, es vital establecer que cuando se demuestra que tal nivel puede ser superado, deberá llevarse sin discusión monitoreo individual, siguiendo los principios de protección radiológica que conlleven a optimizar e informar a los trabajadores del riesgo asociado a dicha exposición.

Este panorama, nos lleva a la necesidad de identificar las exposiciones de las tripulaciones de Aviancaa radiaciones cósmicas, con el fin de definir si se requieren medidas de protección para mantener bajo control estas exposiciones, buscando que no superen de manera significativa los límites de la población en general, 1 mSv/año. 

Límites de dosis

La Comisión Internacional de Protección Radiológica en su publicación número 60 (ICRP, 1991), recomienda los límites de dosis que han sido adoptados a nivel mundial. Los valores se resumen en la Tabla1.

Aunque se considere que el uso de monitoreo como rutina para las tripulaciones, como se hace con los trabajadores de la industria nuclear, podría ser impráctico y difícil de implementar, es importante aplicar los cálculos y estimados recomendados por la ICRP para grupos críticos de profesionales de vuelo, que ayuden al trabajador expuesto a conocer su riesgo y tomar las medidas necesarias para contrarrestarlo.

Radiación cósmica

La radiación ionizante que es producida fuera de la tierra está principalmente constituida por partículas procedentes de otras galaxias, aproximadamente 95% del total, formada a su vez por núcleos atómicos (90% protones, 9% núcleos de helio y un uno por ciento de núcleos más pesados) y por un dos porciento de electrones (ICRU report, 2010). La cantidad de partículas y su contribución a la exposición en la tierra depende de la actividad solar, la cual varía acorde a su ciclo, que tiene en promedio once años de duración (Lindborg et al., 2004)[1].

Una vez la radiación cósmica primaria interactúa con el nitrógeno y el oxígeno de la atmósfera terrestre se produce radiación secundaria. A altitudes bajas, los muones son los mayores contribuyentes a la dosis efectiva, mientras que a la altitud de los aeroplanos lo son los neutrones (55%), electrones y positrones (20%), protones (15%), fotones (5 %) y muones en un cinco porciento (Bartlett, 2004).

La Figura 4, esquematiza la generación de cascadas de partículas secundarias, de la cual puede inferirse que  existe una dependencia entre la dosis de radiación y la calidad de ésta con la altura, por ejemplo, la tasa de dosis al nivel del mar es de 0.03 µSv/h, a 6.7 km de 1 µSv/h y a 15 km de 10 µSv/h (Beck, 2007). La contribución a la dosis total que reciben las tripulaciones de vuelo es del 95% y su comportamiento es estable y predecible. 

Adicional a la radiación cósmica galáctica, existen partículas solares que son capaces de llegar a nuestro planeta donde los habitantes están expuestos a ellas. Dichas partículas son producidas por liberaciones energéticas repentinas y esporádicas de la atmósfera solar (fulguración solar) y por eyecciones de masa coronal. Solo una pequeña fracción de las partículas solares, en promedio una al año, llegan a la tierra y pueden causar un aumento en la tasa de dosis a la altura de vuelo, esos incrementos son rápidos, siendo su duración usual del orden de los minutos, aunque en ocasiones pueden llegar a ser de hasta varios días (Lindborg et al., 2004).

Un evento solar ocurrido el 23 de febrero de 1956, incrementó los niveles de tasa de dosis normales de 10 µSv/h hasta alrededor de 4.5 mSv/h a una altitud de 9 km (Lewis, Green, & Bennett, 2009). Ya que los fenómenos son repentinos y esporádicos, son difícilmente predecibles, éstos son hallados con detectores de neutrones ubicados en tierra y los cálculos en los aumentos de los niveles de exposición deben ser realizados retrospectivamente.

Otro fenómeno relacionado con la dinámica solar es el decrecimiento Forbush, ocurre por una disminución en la intensidad de la radiación cósmica que llega a la tierra luego de una eyección de masa coronal, esto debido a la interacción de las partículas que conforman la radiación cósmica con el campo magnético del viento del plasma solar. La intensidad de los rayos cósmicos puede tener una disminución drástica, hasta un veinte porciento en unas pocas horas, sin embargo, la recuperación es lenta y suele durar entre siete y diez días (Barrantes et al., 2018).

Interacción con el campo magnético terrestre

A bajas latitudes, el campo magnético terrestre se comporta como un blindaje frente a las partículas cargadas que impactan, causando que aquellas que no cuentan con suficiente energía sean desviadas y no interactúen con la atmósfera terrestre. Por el contrario, cerca de los polos no existe tal blindaje y la radiación cósmica puede alcanzar la atmósfera terrestre. Como resultado la tasa de dosis de radiación cósmica es mayor en los polos y disminuye conforme se acerca al ecuador. 

En el estudio publicado por Lindborg (2004)se muestra la variación de la tasa de dosis equivalente ambiental en función de la altura. En azul se muestra el comportamiento polar y en rojo el ecuatorial. Se observa que, para la misma altura, la tasa de dosis puede ser hasta seis veces mayor en los polos. Adicionalmente, pueden identificarse las variaciones en las tasas de dosis dependiendo del ciclo solar y la menor influencia del ecuador que en el nivel polar.

Exposición ocupacional en tripulación de vuelo

Publicaciones internacionales, como la del Comité Científico de Naciones Unidas sobre los Efectos de la Radiación Atómica (UNSCEAR, 2000) muestran que las dosis de radiación de los tripulantes de vuelos están dentro de 0.2 mSv y 3 mSv al año. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que dependiendo de la duración del vuelo y su ruta (altitud y latitud) las dosis recibidas por los pasajeros y la tripulación pueden ser de tan solo ~1 µSv en vuelos cortos y hasta ~40 µSv en vuelos trasatlánticos, recordando que la dosis anual promedio inferior a 1 mSv se ha establecido para tripulantes de rutas nacionales (Paschoa & Steinhäusler, 2010). Tal es el caso de un estudio realizado en Brasil en 2010, en el cual debido a la baja frecuencia de los vuelos, la tripulación evaluada recibió una dosis acumulada anual inferior a 1 mSv, por lo cual concluyeron que no era necesario ningún control adicional para las tripulaciones (Cláudio Antonio Federico, Pereira, Pereira, Gonçalez, & Caldas, 2010).

Estimación de la dosis durante los vuelos

El monitoreo radiológico de los trabajadores expuestos a fuentes y equipos emisores de radiación ionizante, ha sido llevado a cabo con detectores de radiación pasivos que permiten la acumulación de información de exposición en un periodo de tiempo y cuya lectura se relaciona con la dosis efectiva recibida por el trabajador en éste mismo periodo. Estos detectores comúnmente conocidos como dosímetros personales, son caracterizados para cada tipo de radiación al que se expone el trabajador y sus energías. Los tipos de radiación más comunes corresponden a: rayos X, radiación gamma, radiación beta y neutrones, con energías bien definidas de acuerdo con la práctica realizada. 

Puesto que la exposición de los tripulantes de un vuelo se debe no solo a radiación electromagnética, beta y neutrones, sino también a positrones, protones, muones (Bartlett, 2004), y adicionalmente al amplio espectro energético de ésta, no es posible la medición con un dispositivo tan sencillo como el dosímetro personal. La medición de la exposición a radiación cósmica debe ser realizada con instrumentación especializada, que es calibrada en amplios rangos energéticos, por ejemplo, los detectores TECP (Tissue Equivalent Proportional Counter). 

A través de equipos de medición especializados se realiza la evaluación de exposición en cabina a la tripulación (Lindborg et al., 2004; Meier, Hubiak, Matthia, Wirtz, & Reitz, 2009; Vergara, Gutierrez, Jimenez, & Roman, 2004; Vergara & Roman, 2009), recientemente se ha publicado una investigación sobre dosímetros semiconductores de dosis ionizante total (TID por su sigla en inglés) de la referencia Teledyne UDOS001, que podrían convertirse en sensores para medición en tiempo real de radiaciones biológicamente dañinas en altitudes de aviación (Rosenthal, Hayes, & Mertens, 2018), sin embargo, esta tecnología aun está en desarrollo.

Debido a que realizar mediciones continuas a la tripulación no es posible y que lograr abarcar la totalidad de los aviones es una tarea titánica, se han desarrollado software de estimación de dosis como el CARI (FAA Civil Aeromedical Institute, 2004), el EPCARD (Helmholtz Zentrum München Institut für Strahlenschutz, 2010), el PCAIR (PCAire Inc, 2010)y el SIEVERT (Institute de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, 2013). Dichos software han sido validados para los diferentes tipos de altura, radiación, entre otros parámetros. Con ellos se ha concluido que existe una buena concordancia entre las mediciones y los resultados modelados en las altitudes de los vuelos comerciales, brindando soporte para su uso en el cálculo de las dosis efectivas recibidas por el personal de vuelo (Lindborg et al., 2004).

El uso de estas herramientas ha demostrado ser de las mejores estrategias para la medición de un gran numero de vuelos, lo que ha permitido hacer de manera retrospectiva, una estimación de la exposición de las tripulaciones, dado su facilidad de operación y bajo costo. Así mismo, porque brindan el respaldo suficiente sobre la fiabilidad de sus resultados. 

Para el presente estudio se hizo uso del CARI, en su versión número siete, dado que es de acceso gratuito y cuenta con el respaldo de una de las entidades de referencia de mayor importancia a nivel mundial, la Federal Aviation Administration(FAA).

CARI

Es un software desarrollado por el Instituto Médico Aeroespacial de la FAA, diseñado para calcular las dosis efectivas generadas por la exposición a radiación cósmica recibidas por tripulantes de vuelo (“CARI-7 and CARI-7A,” n.d.). Algunas de las características principales del software CARI-7 (Copeland, 2017)son:

• Permite calcular la dosis durante cualquier vuelo ocurrido entre enero de 1958 al presente.
• Es capaz de calcular tasas de dosis de radiación cósmica en la atmósfera hasta a 100 km de altura.
• Tiene en cuenta los efectos de la actividad solar y los campos geomagnéticos.
• No se consideran las tormentas solares ni sus efectos, exceptuando el decrecimiento Forbush, el cual es modulado (1:1) por el cambio en el flujo de neutrones medido al nivel del mar.
• Las cascadas de rayos cósmicos son calculadas a través de simulación Monte Carlo de transporte de partículas MCNPX 2.7.0. Lo anterior hace que no sea necesario usar el principio de superposición (en el cual el transporte de núcleos se considera equivalente a un flujo de sus componentes de neutrones y protones).
• El espectro interestelar usado es el del modelo ISO 15390:2004, modulado por el método potencial heliocéntrico. En el CARI-7A puede escogerse el modelo entre el ISO 15390:2004, el modelo de Badhwar y O’Neill (“Badhwar–O’Neill 2010 Galactic Cosmic Ray Flux Model—Revised - IEEE Xplore Document,” n.d.), entre otros.
• Permite obtener como resultado: la fluencia de las partículas secundarias, la dosis efectiva basada en las recomendaciones del ICRP 60 (ICRP, 1990), la dosis efectiva basada en las recomendaciones del ICRP 103 (ICRP, 2007), la dosis equivalente ambiental H*(10) y la dosis absorbida en cuerpo completo.

La versión CARI-7A ha sido diseñada con un enfoque de investigación y docencia, por lo tanto, cuenta con más opciones de elección para el usuario, incluyendo parámetros del transporte de partículas, múltiples modelos para la radiación cósmica primaria y los eventos solares, incluyendo una opción para ingresar el espectro customizado. Por lo anterior, el CARI-7A requiere más espacio RAM durante su ejecución y corre varios cientos de veces más lento (alrededor de 1 segundo por locación), condición que limita en gran medida su uso para el procesamiento masivo de datos. 

Considerando el alcance de la evaluación a realizar y el tiempo de ejecución, se determina que el código a usar para el cálculo de dosis será el CARI-7, que permitirá una ejecución del proceso más rápido y dado que son pocas las opciones de parametrización, permite asegurar que no se han realizado cambios en la estimación para diferentes vuelos.